Akustička svojstva i filogenetski odnosi glavoča porodice Gobiidae (Teleostei; Gobiiformes)
Horvatić, Sven
Doctoral thesis / Disertacija
2021
Degree Grantor / Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj: University of Zagreb, Faculty of Science / Sveučilište u Zagrebu, Prirodoslovno-matematički fakultet
Permanent link / Trajna poveznica: https://urn.nsk.hr/urn:nbn:hr:217:019844
Rights / Prava: In copyright
Download date / Datum preuzimanja: 2021-10-05
Repository / Repozitorij:
Repository of Faculty of Science - University of Zagreb PRIRODOSLOVNO-MATEMATIČKI FAKULTET
BIOLOŠKI ODSJEK
Sven Horvatić
AKUSTIČKA SVOJSTVA I FILOGENETSKI ODNOSI GLAVOČA PORODICE GOBIIDAE (TELEOSTEI; GOBIIFORMES)
DOKTORSKI RAD
Zagreb, 2021
PRIRODOSLOVNO-MATEMATIČKI FAKULTET
BIOLOŠKI ODSJEK
Sven Horvatić
AKUSTIČKA SVOJSTVA I FILOGENETSKI ODNOSI GLAVOČA PORODICE GOBIIDAE (TELEOSTEI; GOBIIFORMES)
DOKTORSKI RAD
Mentor:
Prof. dr. sc. Davor Zanella
Zagreb, 2021
FACULTY OF SCIENCE
DEPARTMENT OF BIOLOGY
Sven Horvatić
ACOUSTIC PROPERTIES AND PHYLOGENETIC RELATIONSHIPS OF GOBIES FROM THE FAMILY GOBIIDAE (TELEOSTEI; GOBIIFORMES)
DOCTORAL DISSERTATION
Supervisor:
Prof. Davor Zanella
Zagreb, 2021
Ovaj doktorski rad izrađen je u Laboratoriju za kralješnjake Zoologijskog zavoda Biološkog odsjeka Prirodoslovno-matematičkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu pod vodstvom prof. dr. sc. Davora Zanelle u sklopu Sveučilišnog poslijediplomskog doktorskog studija Biologije na Biološkom odsjeku Prirodoslovno-matematičkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu. Eksperimentalni dio ovog doktorskog rada obavljen je na Sveučilištu u Zagrebu, Prirodoslovno-matematičkom fakultetu, Biološkom odsjeku (Hrvatska), dok je dio bioakustičkih i anatomskih istraživanja obavljen na Sveučilištu Ca' Foscari u Veneciji (Italija) i Sveučilištu u Liègeu (Belgija).
Informacije o mentoru
ZANELLA, Davor (Zagreb, 19. travnja 1973.), redoviti profesor, 235863
U Zagrebu je završio osnovnu i srednju školu. Maturirao je 1992. g. na V. gimnaziji, a iste je godine upisao studij biologije, smjer profesor biologije na PMF-u u Zagrebu. Diplomirao je 1997. g. Od 2000. g. zaposlen je u Zoologijskom zavodu kao znanstveni novak. Godine 2003. obranio je magistarski rad, a 2007. i doktorsku disertaciju. Na mjesto docenta izabran je 2009., 2013. u izvanrednog profesora, a 2019. godine u redovitog profesora. Usavršavao se iz ekologije slatkih voda (određivanje kvalitete vode pomoću biotičkog indeksa) i populacija riba riječnih tokova i jezera u Laboratoriju za ihtiologiju i plankton Sveučilišta u Trstu, boravio je u Tromsu, u Norveškoj na stručnom usavršavanju iz područja ihtiologije u sklopu projekta "Management of Freshwater Fisheries of Bordering Rivers". Do 2009. g. vodi praktikume na preddiplomskom studiju iz kolegija Kralježnjaci, kao i terensku nastavu iz zoologije. Od 2009. g. nositelj je ili sunositelj kolegija Vertebrata, Upravljanje prirodnim populacijama, Ekologija i zaštita prirode, Zoologija 3 (Kralježnjaci), Ihtiologija, Akvakultura i ribarstvo slatkih voda i Akvakultura za studente preddiplomskog i diplomskog studija različitih smjerova. Sudjeluje u terenskoj nastavi iz navedenih kolegija. Voditelj je jednog doktorskog rada, 15 diplomskih radova, dva magistarska i 19 završnih radova. Njegova znanstvena djelatnost obuhvaća istraživanja raznolikosti i staništa slatkovodnih riba Hrvatske, posebno endemskih vrsta (inventarizaciju i utvrđivanje stupnja ugroženosti te bioloških i ekoloških značajki pojedinih vrsta). Drugo je područje njegova znanstvenog rada usmjereno na proučavanje prirodnih populacija te njihovom upravljanju. Objavio je kao autor ili koautor 58 znanstvenih radova (47 u časopisima indeksiranim u CC, 11 u časopisima indeksiranim u drugim sekundarnim i tercijarnim bazama). Koautor je tri knjige te jednog poglavlja u knjizi. Sudjelovao je na međunarodnim skupovima s 46 priopćenja te domaćim skupovima s 12 priopćenja. Sudjelovao je na brojnim međunarodnim i domaćim skupovima sa 60-ak priopćenja. Aktivno je sudjelovao u izvedbi triju znanstvenih projekata. Bio je i suradnik na dva međunarodna projekta.
Zahvale
Iskreno zahvaljujem mentoru prof. dr. sc. Davoru Zanelli na pruženoj pomoći tijekom doktorskog studija. Njegova mi je podrška, uz dobronamjerne komentare i prijedloge, mnogo pomogla. Također, zahvaljujem neposrednom mentoru sa Sveučilišta Ca' Foscari iz Venecije, prof. dr. sc. Stefanu Malavasiju što me tijekom studija uveo u neistražen i intrigantan svijet bioakustike. Njegova su mi nazočnost i znanstvena kompetencija bili od neizmjerne važnosti.
Posebno zahvaljujem povjerenstvu za obranu doktorskih radova, izv. prof. dr. sc. Perici Mustafiću, prof. dr. sc. Zlatku Liberu i izv. prof. dr. sc. Marcelu Kovačiću, na stručnim komentarima i dobronamjernim prijedlozima povezanima sa sadržajem ovog doktorskog rada.
Veliko hvala kolegama iz laboratorija za biologiju kralješnjaka i zaštitu prirode – Ivani, Luciji Raguž, Luciji Ivić, Zoranu, Marku, Perici, Romanu, Siniši, Miloradu – na pomoći i udijeljenim savjetima. Također, hvala vam što ste mi pokazali kako znanost, uz sve striktne norme, može biti i zabavna. Posebno zahvaljujem kolegi Zoranu, koji je tijekom studija, a pogotovo za vrijeme izrade ove disertacije, pokazao iznimno strpljenje i otvorenost za pomoć. Hvala svim koautorima znanstvenih radova ove disertacije na stručnoj pomoći i srdačnoj spremnosti na suradnju. Posebno zahvaljujem Lindi na iznimnoj pomoći s lekturom radova, kao i Maji Marčić na stručnoj lekturi ove disertacije..
Iako je teško nabrojiti sve, neizmjerno zahvaljujem prijateljima iz skupine „Tko nas tjera“ „4πCassa“ i „Vijeće mudraca“, Soži, Nataši, Milošu, Niki, Sonji i Loparanima. Hvala vam što ste mi, kada god je trebalo, udijelili iskren i kvalitetan životni savjet, ali i rasteretili um mnogim pošalicama i dogodovštinama.
Neizmjerno zahvaljujem svojoj najbližoj obitelji, majci Branki, ocu Braci i bratu Tinu. Puno vam hvala na pruženoj i neupitnoj podršci tijekom studiranja i života općenito. Hvala vam na svakom dobronamjernom savjetu, kritici ili komentaru koji su me vratili na pravi put kada god je trebalo. Zahvaljujem bakama Jasminki i Miki, djedu Ivi i uji, ujni te Benjaminu i Bruni na svakom razgovoru i savjetu. Drago mi je da ste sudjelovali u svemu! I za kraj, zahvaljujem svojoj Ivani što mi je unijela osmijeh i neizrecivu sreću u život te unaprijedila rad svojim komentarima.
Sveučilište u Zagrebu Doktorski rad
Prirodoslovno-matematički fakultet
Biološki odsjek
AKUSTIČKA SVOJSTVA I FILOGENETSKI ODNOSI GLAVOČA PORODICE GOBIIDAE (TELEOSTEI; GOBIIFORMES)
SVEN HORVATIĆ
Prirodoslovno-matematički fakultet, Biološki odsjek
Glavoči su najbrojnijih skupina riba zrakoperki. Također, oni su jedna od akustički najistraživanijih skupina zrakoperki današnjice, sa 23 poznate vrste koje se glasaju. U sklopu ove disertacije, u četiri znanstvene publikacije prvi je put istražena, upotrebom bioakustičkih metoda i analiza, sposobnost stvaranja zvukova i vokalni repertoar glavoča linije Gobius Neogobius melanostomus, Neogobius fluviatilis i Ponticola kessleri, kao i Perccottus glenii (Odontobutidae). Nadalje, ovom su disertacijom istražene anatomske strukture uključene u proces produkcije zvukova kod rotana, a rezultati su pokazali kako se mehanizam najvjerojatnije temelji na kontrakcijama kranijalno-pektoralnih mišića. Upotrebom molekularnih analiza koje uključuju metode filogenetske rekonstrukcije s mitohondrijskim i jezgrenim genetičkim biljezima, rekonstruirani su odnosi vokalnih glavoča linije Gobius te istražena korelacija između genetičke i akustičke divergencije. Rezultati ove disertacije naglašavaju kako su zvukovi glavoča specifični za pojedinu vrstu, dok njihova interspecijska akustička divergencija prati genetičku, što pokazuje kako evolucija zvukova i genotipova prati isti obrazac.
(79 stranica, 8 slika, 207 literaturnih navoda, jezik izvornika: hrvatski)
Ključne riječi: glavoči, bioakustika, linija Gobius, filogenija, zvukovi
Mentor: prof. dr. sc. Davor Zanella
Ocjenjivači: izv. prof. dr. sc. Perica Mustafić
prof. dr. sc. Zlatko Liber
izv. prof. dr. sc. Marcelo Kovačić
University of Zagreb Doctoral thesis
Faculty of Science
Department of Biology
ACOUSTIC PROPERTIES AND PHYLOGENETIC RELATIONSHIPS OF GOBIES FROM THE FAMILY GOBIIDAE (TELEOSTEI; GOBIIFORMES)
SVEN HORVATIĆ
Faculty of Science, Department of Biology
Gobies are the most numerous fish group. They are also one of the most investigated acoustic cluster of actinopterygian fish nowadays, with 23 species vocally tested. In this dissertation, represented through four scientific publications, the acoustic communication and vocal repertoire was investigated in Gobius-lineage gobies Neogobius melanostomus, Neogobius fluviatilis and Ponticola kessleri, as well as in Perccottus glenii (Odontobutidae), using standardized bioacoustic methods and analyses. The presented dissertation investigated the anatomical structures involved in the sound production, and the conducted analyses indicate that the sonic mechanism could be based on the contractions of cranio-pectoral muscles. By using phylogenetic analyses with a multilocus approach, we reconstructed the interspecific relationships between vocal gobies from Gobius-lineage and correlated the acoustic and genetic divergences. Results of this dissertation emphasize that goby sounds are truly species-specific, while their interspecific acoustic divergence follows the genotypic divergence, which could indicate that acoustic signals in gobies from Gobius-lineage carry phylogenetic signal.
(79 pages, 8 figures, 207 references, original in Croatian)
Keywords: gobies, bioacoustics, Gobius-lineage, phylogeny, sounds
Supervisor: Dr. Davor Zanella
Reviewers: Dr. Perica Mustafić
Dr. Zlatko Liber
Dr. Marcelo Kovačić
Tablica sažetka
POPIS PUBLIKACIJA ...... I PROŠIRENI SAŽETAK ...... II THESIS SUMMARY ...... VI 1. UVOD ...... X 1.1. Glavoči, najbrojnija skupina riba zrakoperki ...... 1 1.2. Pregled najvažnijih filogenetskih istraživanja europskih glavoča linije Gobius (Gobiiformes, Gobiidae) ...... 7 1.3. Bioakustika, znanost o zvukovima u prirodi ...... 15 1.4. Bioakustika riba ...... 21 1.5. Pregled najvažnije literature o bioakustici glavoča ...... 26 2. ZNANSTVENE PUBLIKACIJE ...... XI 3. DISKUSIJA ...... XII 3.1. Glavoči linije Gobius – modelni organizmi u bioakustičkim istraživanjima ...... 38 3.2. Uvid u mehanizam za produkciju zvukova kod glavoča ...... 42 3.3. Akustička divergencija glavoča linije Gobius – povezanost s genetskom diferencijacijom? 46 4. ZAKLJUČAK ...... XIII 5. LITERATURA ...... 54 6. ŽIVOTOPIS ...... 67
POPIS PUBLIKACIJA
1. Horvatić S, Cavraro F, Zanella D i Malavasi S (2016) Sound production in the Ponto- Caspian goby Neogobius fluviatilis and acoustic affinities within the Gobius lineage: implications for phylogeny. Biological Journal of the Linnean Society 117: 564-573. 2. Horvatić S, Bem L, Malavasi S, Marčić Z, Buj I, Mustafić P, Ćaleta M, Zanella D (2019) Comparative analysis of sound production between the bighead goby Ponticola kessleri and the round goby Neogobius melanostomus: Implications for phylogeny and systematics. Environmental Biology of Fishes 102: 727-739. 3. Horvatić S, Malavasi S, Parmentier E, Marčić Z, Buj I, Mustafić P, Ćaleta M, Smederevac-Lalić M, Skorić S, Zanella D (2019) Acoustic communication during reproduction in the basal gobioid Amur sleeper and the putative sound production mechanism. Journal of Zoology 309: 269-279. 4. Horvatić S, Malavasi S, Vukić J, Šanda R, Marčić Z, Ćaleta M, Lorenzoni M, Mustafić P, Buj I, Raguž L, Ivić L, Cavraro F, Zanella D (2021) Acoustic divergence is correlated with phylogenetic distance in European gobies (Gobiidae; Gobius lineage): evolutionary insights. Predano na recenziju u Plos One.
I
PROŠIRENI SAŽETAK
Glavoči (porodice Gobiidae i Gobionellidae, prema Thacker, 2009) su najbrojnija skupina riba zrakoperki, s oko 1600 opisanih vrsta te mnoštvom neotkrivenih i kriptičkih skupina rasprostranjenih u gotovo svim akvatičkim ekosustavima (Nelson, 2006; Fricke i sur., 2020). Oni naseljavaju najraznolikija vodena staništa, kao što su duboka i hladna mora, potoci i rijeke te prijelazne bočate lagune i estuarije, a u plitkom infralitoralu dominiraju po brojnosti i raznolikosti vrsta. Zbog svojih bioloških karakteristika koje uključuju pridneni ili kriptobentički način života, speleofilni tip reprodukcije i teritorijalnost s izraženom roditeljskom brigom za potomke, glavoči su iznimno zanimljivi modelni organizmi u laboratorijskim i in situ bioakustičkim eksperimentima. Upravo su zato jedna od akustički najistraživanijih skupina riba današnjice (uz Pomacentridae, Batrachoidiidae, Gadidiae, Serrasalmidae), s 23 dosad poznate vrste koje se glasaju (oko 1,2% ukupne brojnosti prema Fricke i sur., 2020) ispitane u bioakustičkim eksperimentima (Zeyl i sur., 2016). Do danas se većina znanstvene pozornosti u bioakustičkim ispitivanjima pridavala glavočima linije Pomatoschistus (rodovi Knipowitschia, Economidichthys, Gobiusculus i Pomatoschistus) i atlantsko-mediteranskim skupinama linije Gobius (Zosterisessor, Padogobius i Gobius), dok je znanje o akustičkim signalima, vokalnom repertoaru i etološkom kontekstu produkcije zvukova bilo znatno neistraženo kod pontokaspijskih vrsta i glavoča u širem smislu (Gobioidei). Multidisciplinarna istraživanja navode kako vokalni glavoči iz dviju različitih porodica, Gobius paganellus (Gobiidae) i Pomatoschistus pictus (Gobionellidae), imaju (uz male osteološke razlike) karakterističan plan građe i jednake anatomske strukture u glavenom dijelu i oplećju, zbog čega njihovi osnovni elementi za produkciju zvukova najvjerojatnije slijede sličan evolucijski obrazac koji potencijalno dijele s ostalim sestrinskim skupinama kao što su Odontobutidae, Butidae i dr. (Parmentier i sur., 2013, 2017). Produkcija zvukova, izuzev navedene dvije porodice, istražena je još samo kod jedne vrste iz porodice Odontobutidae (Odontobutis obscura), a bioakustičko istraživanje potvrdilo je kako mužjaci te vrste stvaraju pulsatilni tip zvuka pomoću ždrijelnih zuba (Takemura, 1983). Stoga je detaljna bioakustička i anatomska analiza trebala istražiti vokalni repertoar i anatomske strukture uključene u proces stvaranja zvukova kod bazalnih pripadnika glavoča u širem smislu, kao što je primjerice rotan Perccottus glenii. Nadalje, filogenetski odnosi glavoča i dalje su prilično neistraženi iako novija filogenetska istraživanja navode kako se europski glavoči dijele, uz porodice, i na nekoliko evolucijskih skupina ili linija (Gobius i Aphia unutar potporodice Gobiine; Pomatoschistus unutar potporodice Gobionelline, prema Agorreta i sur.,
II 2013). Molekularne analize, tj. metode filogenetske rekonstrukcije temeljene na pristupu multilokus (više različitih mitohondrijskih i jezgrenih gena), naglašavaju kako unutar linije Gobius atlantsko-mediteranski rodovi Gobius, Padogobius i Zosterisessor dijele bliske sestrinske odnose s pontokaspijskom skupinom (rodovi Neogobius, Ponticola, Proterorhinus i dr.) rasprostranjenom u slijevovima Crnog, Azovskog i Aralskog mora te Kaspijskog jezera (Thacker i Roje, 2011; Agorreta i sur., 2013). Iako su odnosi ove skupine detaljnije istraženi koristeći isključivo molekularne ili morfološke metode, akustička komparativna analiza dosad nije provedena. Usto, niti jedno istraživanje dosad nije empirijski i kvantitativno povezalo akustičku divergenciju s genetičkom diversifikacijom kod vokalnih riba kako bi se istražilo slijede li one isti obrazac evolucije, tj. nose li zvukovi filogenetski signal zaslužan za razlikovanje vokalnih vrsta iz linije Gobius.
Cilj je ove disertacije bio proširiti znanje o vokalnom repertoaru (s akustičkim parametrima), anatomskim strukturama uključenima u proces stvaranja zvukova te filogenetskim odnosima vokalnih glavoča linije Gobius (Gobiiformes, Gobiidae) i rotana (Gobiiformes, Odontobutidae) koristeći tradicionalne bioakustičke metode i analize te metode filogenetske rekonstrukcije s više različitih genetičkih biljega (mtDNA i nDNA). U četiri znanstvene publikacije, cilj je disertacije bio istražiti i testirati ove znanstvene hipoteze: i. Filogenetska interspecijska analiza pontokaspijskih i atlantsko-mediteranskih glavoča iz linije Gobius, rekonstruirana na temelju kvalitativnih i kvantitativnih akustičkih parametara, upućuje na određen stupanj međusobne srodnosti između vokalnih vrsta, ii. Kod glavoča linije Gobius glasaju se samo mužjaci tijekom intraspecijskih ili interspecijskih interakcija, iii. Mehanizam za produkciju zvukova temelji se kod rotana Perccottus glenii (Odontobutidae) na kranio-pektoralnim mišićima, a pulsatilni zvukovi predstavljaju ancestralni/bazalni tip akustičkog signala kod glavoča u širem smislu (hipoteza prati Malavasi i sur. (2008)), iv. Interspecijski filogenetski odnosi devet vokalnih vrsta glavoča linije Gobius (rodovi Neogobius, Ponticola, Zosterisessor, Gobius, Padogobius), konstruirani na temelju šest kvantitativnih akustičkih parametara, preklapaju se s rezultatima molekularnih analiza, tj. zvukovi prenose filogenetski signal odgovoran za razlikovanje srodnih vrsta.
U ovoj disertaciji, predstavljenoj u četiri znanstvene publikacije, prvi je put istražena, upotrebom tradicionalnih bioakustičkih metoda i analiza, sposobnost stvaranja zvukova i vokalni repertoar (s akustičkim svojstvima) pontokaspijskih glavoča linije Gobius (Gobiiformes; Gobiidae) Neogobius melanostomus, N. fluviatilis i Ponticola kessleri te invazivne vrste rotana Perccottus glenii (Odontobutidae) (publikacije I, II i III). Nadalje, ova
III je disertacija istražila anatomske strukture uključene u proces produkcije zvukova kod rotana, pripadnika sestrinske porodice svih ostalih glavoča u širem smislu (Gobioidei). Rezultati su pokazali kako dosad anatomski ispitani vokalni glavoči (G. paganellus i P. pictus), uključujući i rotana, dijele zajedničke anatomske strukture mehanizma za produkciju zvukova, koji se temelji na kranijalno-pektoralnim mišićima (m. levator pectoralis) i njihovim kontrakcijama (publikacija III). Istodobno, upotrebom molekularnih analiza koje uključuju metode filogenetske rekonstrukcije s više različitih genetičkih biljega (mtDNA i nDNA), rekonstruirani su filogenetski odnosi vokalnih glavoča linije Gobius te je korištenjem komparativne akustičko-molekularne metode istraženo postoji li pozitivna korelacija između genetičke i akustičke divergencije (publikacija IV). Rezultati ove disertacije potvrdili su kako su zvukovi glavoča linije Gobius izrazito specifični za vrstu, dok njihova interspecijska akustička divergencija prati genetičku, što sugerira kako se evolucija zvukova najvjerojatnije mijenjala (i dalje se mijenja) u istom pravcu i jednakom stopom kao i genotipska (neovisno o tipu mtDNA ili nDNA genetičkih biljega) kod navedene skupine riba (publikacija IV).
Znanstveni je doprinos ove disertacije proširivanje znanja o vokalnom repertoaru i akustičkim svojstvima invazivnih pontokaspijskih vrsta rodova Neogobius i Ponticola te rotana P. glenii. Rezultati ove disertacije naglašavaju kako su glavoči izrazito vokalne ribe te kako se, uz standardnu morfološku i molekularnu filogeniju, zvukovi mogu, s velikom pouzdanosti, koristiti u rekonstrukciji filogenetskih odnosa glavoča linije Gobius. Osim toga, ova disertacija naglašava kako se akustička i genetička divergencija znatno preklapaju te slijede vrlo sličan evolucijski obrazac, što potvrđuje važnu ulogu akustičkih signala u divergenciji pojedinih sestrinskih i blisko srodnih europskih glavoča. Ovi rezultati otvaraju potencijalnu mogućnost budućim modernim istraživanjima koja bi se temeljila na automatiziranom prepoznavanju i monitoringu vokalnih glavoča koristeći akustičke baze podataka ili pasivne akustičke snimače. Istraživanje anatomskih struktura uključenih u produkciju zvukova rotana u sklopu ove disertacije naglašava kako je mehanizam za produkciju zvukova, tj. kranijalno-pektoralni mišići, kod glavoča najvjerojatnije evolucijski konzerviran te kako potonji ne koriste druge strukture (npr. plivaći mjehur) u procesu stvaraju zvukova. Stoga ova disertacija znatno doprinosi shvaćanju i proširivanju znanja o načinu na koji glavoči produciraju zvukove tijekom interspecijskih ili intraspecijskih interakcija, što izravno utječe na njihove biološke i ekološke životne karakteristike. Ova disertacija naglašava kako su zvukovi, producirani tijekom reproduktivnih i agresivnih interakcija u sklopu životnog ciklusa, iznimno važan dio komunikacijskog procesa kod glavoča. Zbog toga bi
IV buduća istraživanja blisko povezana s monitoringom ili eradikacijom invazivnih glavoča (kao što su rodovi Neogobius, Ponticola i Perccottus) trebala iskoristiti i implementirati znanja o akustičkoj komunikaciji glavoča radi njihove biokontrole ili potencijalne eradikacije koristeći akustičke zamke/oznake ili druge alate, kao što je već predloženo (Isabella-Valenzi i Higgs, 2016).
V
THESIS SUMMARY
Gobies (families Gobiidae and Gobionellidae; according to Thacker, 2009) are the most numerous groups of actinopterygian fishes with approximately 1.600 described species, while many undiscovered and cryptic taxa are distributed in almost every aquatic ecosystem (Nelson, 2006; Fricke et al., 2020). Gobies inhabit diverse aquatic habitats, ranging from cold and deep seas, over streams and rivers, to brackish lagoons and estuaries, and in shallow infralittoral they dominate in the abundance and multiformity. Due to their biological characteristics, which include benthic or cryptobenthic lifestyle, speleophylic reproduction and prominent (male) territoriality, gobies are interesting model organisms for laboratory and in situ bioacoustic experiments. Therefore, together with other fish groups (Pomacentridae, Batrachoidiidae, Gadidiae, Serrasalmidae), they are commonly used fish in bioacoustic experiments, with 23 species (~1,2% overall species abundance accrding to Fricke et al., 2020) investigated so far (Zeyl et al., 2016). Until now, most of the scientific attention has been given to sand gobies from Pomatoschisus-lineage (genus Knipowitschia, Economidichthys, Gobiusculus and Pomatoschistus) and Atlantic-Mediterranean gobies from Gobius-lineage (Zosterisessor, Padogobius and Gobius), while the knowledge regarding the acoustic communication, vocal repertoire and acoustic parameters of other interesting groups, like the Ponto-Caspian gobies and Odontobutidae (gobies in a wider sense), are mostly lacking. Multidisciplinary studies indicate that vocal gobies from two different goby families, Gobius paganellus (Gobiidae) and Pomatoschistus pictus (Gobionellidae), posses characteristics and fairly similar body bauplan (structural plan) and anatomical structures in the cranio-pectoral part of their body, therefore emphasizing that gobies (together with other primitive groups of Gobioidei like Odontobutidae) could share similar building elements of their sound production mechanism, making their evolutionary pattern quite recognizable and predictable (Parmentier et al., 2013, 2017). Sound production, outside gobies in the narrow sense (Gobiidae and Gobionellidae), has been investigated in only one additional family named sleepers (Odontobutidae), and the study proposed that Odontobutis obscura could produce pulsatile sounds thanks to rapid pharyngeal teeth collision (Takemura, 1983). Therefore, due to the lack of knowledge about the vocal repertoire and precise anatomical structures involved in sound production in sleepers, a detailed study was necessary to investigate these two aspects of acoustic communication in another sleeper, Perccottus glenii. Furthermore, even though phylogenetic relationships between certain goby groups are still largely undefined, some studies propose that European gobies can be divided into several
VI lineages, namely Gobius- and Aphia- within the subfamily Gobiine; Pomatoschistus- within Gobionelline, according to Agorreta et al. (2013). Molecular analyses, based on the phylogenetic methods with the multilocus approach, indicate that within Gobius-lineage Atlantic-Mediterranean taxa Gobius, Padogobius and Zosterisessor share a close relationship with Ponto-Caspian group (genus Neogobius, Ponticola, Proterorhinus, etc.) widespread in Pontian drainage (Aral, Azov and the Black Sea) and Caspian Sea (Thacker and Roje, 2011; Agorreta et al., 2013). Even though molecular and morphological studies have been conducted in certain Gobius-lineage species, comparative acoustic-genetic research has not been performed for Gobius-lineage gobies or any other teleost group so far. Also, no study has tested empirically and quantitatively the correlation between acoustic diversification and genetic divergence to observe whether they follow the same pattern of evolution, i.e. does the sound carry phylogenetic signal responsible for the vocal taxa discrimination.
This dissertation aimed to broaden the scientific knowledge about the acoustic repertoire (and acoustic parameters), anatomical structures involved in the sound production process and phylogenetic relationships of vocal Gobius-lineage gobies (Gobiiformes, Gobiidae) together with amur sleeper Perccottus glenii (Gobiiformes, Odontobutidae) by using standardized bioacoustic methods and molecular analyses of phylogenetic inference combined with multilocus approach (mtDNA and nDNA). Trough four original scientific publications, this dissertation tried to answer the following questions: i.) How phylogenetically close are Ponto-Caspian gobies with the Atlantic-Mediterranean taxa considering the quantitative and qualitative acoustic parameters, and are only the males vocal sex during intersexual interactions? ii.) Is the sound production mechanism in P. glenii based on the cranio-pectoral muscle contractions and is the pulsatile sound ancestral among gobies in a wider sense (Gobioidei) according to the proposed hypothesis by Malavasi et al. (2008)? iii.) Is there an overlap between the interspecific acoustic divergence of Gobius-lineage gobies (genus Neogobius, Ponticola, Zosterisessor, Gobius, Padogobius), constructed on six quantitative acoustic parameters, with genetic distance, i.e. do sounds in gobies carry phylogenetic signals responsible for the differentiation of investigated vocal gobies?
In this doctoral dissertation, represented by four scientific publications, for the first time by using bioacoustic methods and analyses, the acoustic communication and vocal repertoire of Ponto-Caspian gobies from Gobius-lineage (Gobiiformes; Gobiidae) Neogobius melanostomus, N. fluviatilis and Ponticola kessleri, as well invasive odontobutid Perccottus glenii (Odontobutidae) were tested (publication I, II and III). In addition, this dissertation
VII investigated the anatomical structures closely related to cranio-pectoral girdle in P. glenii which could be responsible for the sound production in this basal Gobioid goby. The results of this dissertation have shown that, together with previously investigated vocal gobies (G. paganellus i P. pictus), P. glenii shares a similar cranio-pectoral structural plan, which is based on levator pectoralis muscle for which it was hypothesized to be responsible for sound production (publication III). By using molecular analyses of phylogenetic inference combined with a multilocus approach (mtDNA and nDNA genetic markers), it was possible to reconstruct the phylogenetic relationships between investigated vocal gobies from Gobius- lineage. In addition, the phylogenetic analysis allowed us to correlate the genetic distance between nine investigated Gobius-lineage gobies with interspecific acoustic divergence (publication IV). The results indicated that the sounds in Gobius-lineage gobies are species- specific, while their acoustic interspecific differentiation follows genotypic divergence (irrespective of genetic marker) which suggests that two traits evolve in the same manner (publication IV).
The scientific contribution of this doctoral dissertation is the broadening of the scientific knowledge about the acoustic communication and vocal repertoire in invasive Ponto-Caspian gobies from genus Neogobius and Ponticola, together with amur sleeper P. glenii. Results of this dissertation strongly suggest that the gobies are highly vocal fish, and together with a standardized method for inferring relationships like morphological or molecular phylogeny, sounds could (as proven by this dissertation) to a certain degree reveal the patter of interspecific divergence between vocal Gobius-lineage gobies. In addition, the observed correlation between acoustic divergence and genetic distance emphasizes that the sounds have a prominent role in the diversification (and possibly speciation) process of closely related Gobius-lineage gobies. These observations present the possible significance of the acoustic signals in indirect and passive usage of the sounds in monitoring or eradication programs of invasive gobies like Neogobius melanostomus, N. fluviatilis, P. kesssleri and P. glenii. Anatomical investigations confirm that gobies in the wider sense, including odontobutid P. glenii, relly on the similar communication pathways, and that the mechanism could be evolutionary conserved (since it is probably based on cranio-pectoral muscle contractions) exploiting already present structures for the sound production through the process of exaptation. Therefore, this dissertation contributes significantly to our understanding of the multimodal communication system in gobies, which also strongly broadens our knowledge about their general biological or ecological life traits. In addition,
VIII since the gobies communicate acoustically during the reproductive seasons, this dissertation emphasizes that the future studies should utilize the information regarding the sound communication in Gobius-lineage gobies (i.e. invasive species from genera Neogobius, Ponticola and odontobutid Perccottus) and implement it in the future monitoring or eradication programs based on acoustic traps/markers like successfully proposed by (Isabella- Valenzi and Higgs, 2016).
IX
1. UVOD
X UVOD UVOD
1.1. Glavoči, najbrojnija skupina riba zrakoperki
Ribe su najbrojnija i najraznolikija skupina kralješnjaka, ponajprije zbog svoje spektakularne morfološke i fenotipske varijabilnosti, ali i opsežnoga geografskog areala te svojih bioloških, često odvedenih, karakteristika (Nelson, 2006, 2016). Kako bismo razumjeli njihovu evoluciju, na početku je potrebno definirati naizgled jednostavan pojam „riba“ i odrediti skup karakteristika koje ih definiraju. Mnogi autori u termin „riba“ često uključuju mnogo nesrodnih skupina kralješnjaka u jedinstvenu neformalnu skupinu. Berra (2001) u svom djelu „Freshwater fish distribution“ iznosi nekoliko kriterija po kojima se može jasnije definirati „riba“, ali sam autor nailazi na mnogo iznimki koje otežavaju naizgled jednostavnu diferencijaciju. Naime, posve logične pretpostavke kako sve ribe žive u vodi, dišu isključivo škrgama, imaju ljuske na površini tijela, pokreću se perajama te su poikilotermni organizmi, ostaju neutemeljene upravo zbog njihove iznimne raznolikosti i plastičnosti, koje pokazuju kako su se ribe danas prilagodile najraznolikijim uvjetima u okolišu te se fenotipski prilično izmijenile (npr. ribe roda Periophthalmus Bloch i Schneider, 1801 mogu preživjeti određeno vrijeme izvan vode; dvodihalice roda Protopterus Owen, 1839 imaju plućno krilo, čime su sličnije tetrapodnim kralješnjacima; somovi i jegulje imaju golu kožu bez ljusaka; ribe roda Apterichtus Duméril, 1806 nemaju peraje; brzi plivači kao što su tune i neki morski psi imaju tjelesnu temperaturu nešto višu od okolnog medija; Berra, 2001). Nelson (2006) pak simplificira pojam te predlaže ovaj opis: „riba je svaki akvatički kralješnjak koji diše škrgama tijekom cijelog života s tjelesnim privjescima u obliku peraja“. Prateći taj kriterij, termin „riba“ predstavlja polifiletsku skupinu kralješnjaka i uključuje, uz hrskavičnjače i ribe zrakoperke i primitivnije oblike kao što su paklare i sljepulje, daleke rođake recentnih „riba“, ali i dvodihalice i latimerije (mesoperke) koje su filogenetski vrlo bliske tetrapodima (Pough i sur., 2009). Kao što je već navedeno, mnogo različitih nesrodnih skupina moglo bi se smatrati „ribama“ u širem smislu. Ipak, pojedini ihtiolozi, tj. stručnjaci koji istražuju ribe, danas termin „riba“ primjenjuju u određenim i specifičnim situacijama, referencirajući se na monofiletsku skupinu zrakoperki – Actinopterygii (Nelson, 2006). Takav je pristup primijenjen i u ovoj disertaciji u kojoj se pojam „riba“ odnosi samo na zrakoperke.
Recentne zrakoperke, u odnosu na druge kralješnjake, dominiraju u gotovo svim vodenim ekosustavima, naseljavajući najraznolikija vodena staništa, od malih potoka na Tibetu na visinama od 5200 m pa do velikih dubina u oceanima ispod 7000 m (Nelson, 2006; Pough i sur., 2009). Neke su zrakoperke čak napustile vodeni medij te mogu preživjeti na kopnu dulje vrijeme, kao što su pripadnici linije Periophthalmus (Nelson, 2006), druge žive u iznimno
1 UVOD ekstremnim staništima (vrsta tilapije Oreochromis alcalicus (Hilgendorf, 1905) živi u jezerima na temperaturi od oko 42 °C, a vrste roda Trematomus Boulenger, 1902 žive na – 2 °C ispod ledenog pokrova na Antartici). Ukratko, zrakoperke imaju karakteristične pokretne i zrakaste peraje (grč. actino = šipčica, ptero = peraja), umjesto tvrdih ili mesnatih peraja, kakve nalazimo kod morskih pasa i mesoperki. Fleksibilne peraje omogućile su im nevjerojatnu preciznost i usmjeren manevar pri pokretanju, hranjenju, reprodukciji, itd. (Pough i sur., 2009). Tijekom svoje evolucijske povijesti zrakoperke su prošle intenzivnu evolucijsku radijaciju i divergenciju u morskim i u slatkim vodama, a danas gotovo da ne postoji vodeno stanište u kojem nije zabilježena barem jedna vrsta zrakoperke (Nelson, 2006, 2016). One su ujedno i najbrojnija skupina kralješnjaka s oko 36.000 recentnih vrsta, što čini više od polovine sveukupno opisanih kralješnjaka (Nelson 2006; Fricke i sur., 2020). Brzina i stopa opisa novih vrsta drastično se mijenjala tijekom godina, na što upućuje činjenica kako je deseto izdanje Systema Naturae (Linnaeus, 1758) navodilo svega 478 vrsta riba. Samo se u 2019. godini otkrila i opisala 351 nova vrsta riba, a prosječan broj iznosi oko 200 opisanih vrsta godišnje, računajući od 2001. godine (Fricke i sur., 2020). Svjetski oceani zauzimaju oko 97% ukupnog volumena vode na Zemlji, dok slatkovodni ekosustavi (ponajprije rijeke i jezera) jedva 0,0093%, a ostatak vode vezan je u ledenjacima, tlu i atmosferi (Horn, 1972). S obzirom na to, zanimljivo je kako je od ukupnog broja opisanih riba njih oko 18.000 isključivo slatkovodno (Fricke i sur., 2020), što potvrđuje kako oko 50% svih riba živi u rijekama i jezerima koji čine samo 0,01% ukupne vode na Zemlji (Horn, 1972). Još zanimljivije zvuči činjenica da prosječno jednu morsku vrstu riba nalazimo u otprilike 113.000 km3 morske vode, a slatkovodnu u samo 15 km3 slatke vode (Horn, 1972). Razlog navedene primijećene diskrepancije u broju slatkovodnih i morskih riba vjerojatno proizlazi iz činjenice kako su ekološke niše u slatkovodnim ekosustavima dugo bile ili djelomično jesu izolirane te su iznimno raznolike (Cohen, 1970). Međutim, uz sve poznato, evolucija i podrijetlo riba i dalje ostaju prilično neistraženo i kompleksno područje znanosti. Zasad je poznato kako najraniji fosili riba koštunjača (Osteichthyes) datiraju još iz kasnog silura (oko 420 milijuna godina, https://www.britannica.com/animal/fish; Pough i sur., 2009), zrakoperki iz devona (oko 400 milijuna godina, Pough i sur., 2009), dok se tijekom razdoblja krede (mezozoik; 144 – 66 milijuna godina) pojavljuju njihovi recentni oblici (Near i sur., 2013). Tijekom kenozoika dolazi do ubrzane evolucije i znatne raznolikosti zrakoperki (Near i sur., 2013), koja je vjerojatno bila omogućena znatnim promjenama i specijalizacijama koštanih dijelova lubanje i aparata za hranjenje (uključujući čeljusti), zajedno s razvojem pokretljivih i fleksibilnih peraja (Pough i sur., 2009). Zrakoperke se danas koriste u znanstvenim
2 UVOD istraživanjima kao modelni organizmi u raznim ekološkim, etološkim, evolucijskim i biogeografskim studijama, a od neizmjerne su važnosti za ljude i kao važan izvor hrane i proteina širom svijeta od početka ljudske povijesti (Nelson, 2006). Zbog svoje uloge u ekosustavu i važnosti za ljude dio su internacionalnih sporazuma i dogovora, koriste se kao indikatori onečišćenja i narušenosti vodenih ekosustava, a imaju i izraženu rekreacijsku te ekonomsku ulogu (Nelson, 2006).
Glavoči (u užem smislu, pripadnici porodica Gobiidae i Gobionellidae, filogenija prema Thacker, 2009) predstavljaju jednu od najraznolikijih skupina riba unutar reda Gobiiformes (Thacker, 2009; Bentacur i sur., 2013), ali i jednu od najstarijih skupina zrakoperki budući da su se pojavili u eocenu (prije 51 – 55 milijuna godina; Near i sur., 2013; Thacker, 2014). Među ostalim, oni su i najbrojnija skupina riba općenito, s gotovo 1250 validnih vrsta opisanih do danas, iako njihov broj izrazito varira od autora do autora te se nove vrste svakodnevno opisuju (Berra, 2001; Nelson, 2006; Thacker, 2009; Near i sur, 2013; Fricke i sur., 2020). Široko su rasprostranjeni (Slika 1), a najčešće naseljavaju plitka morska staništa (infralitoral) gdje su najbrojnija skupina riba (Nelson, 2006), bočate estuarije ili lagune te slatkovodne rijeke, jezera i krške potoke u umjerenim, tropskim i suptropskim područjima, s posebnim naglaskom na tropski indopacifički pojas gdje su glavoči izrazito brojni (Berra, 2001; Nelson, 2006; Thacker, 2009, 2015). Zanimljivo je kako nekoliko vrsta naseljava naizgled nepovoljna vodena staništa kao što su hladna mora oko Norveške i Islanda te subpolarne potoke u Sibiru (Berra, 2001; Kovačić i Svensen, 2019). Na koraljnim grebenima glavoči su jedna od najbrojnijih skupina riba i čine oko 20% ukupne raznolikosti vrsta i 35% ukupnog broja riba (Winterbottom i sur., 2011).
Prema načinu života glavoči zauzimaju gotovo sve ekološke niše u vodenom mediju. Oni su većinom pridnene ili bentičke ribe koje su svojim navikama blisko vezane za plitko morsko ili slatkovodno dno (većina vrsta živi na dubinama od 2 do 10 metara) iako postoji i nekoliko pelagičkih oblika (npr. Aphia minuta (Risso, 1810), Crystallogobius linearis (Düben, 1845), Pseudaphya ferreri (Buen i Fage, 1908) (Kovačić i Patzner, 2011)), dok su neke i batofilne vrste, kao što je primjerice Gobius roulei, vrsta zabilježena na dubinama od oko 400 metara (Kovačić i Patzner, 2011). Neke vrste, kao što su glavoči linije Periophthalmus (rodovi Boleophthalmus Valenciennes, 1837, Periophthalmus, Periophthalmodon Bleeker, 1874 i Scartelaos Hamilton, 1822) prilagodile su se amfibiotskom načinu života, tj. izlaze iz vode u potrazi za hranom, kreću se uz pomoć prsnih peraja po plitkom muljevitom dnu te se nakon nekog vremena provedenog vani vraćaju u svoja muljevita vodena staništa (Nursall, 1981;
3 UVOD
Berra, 2001; Nelson, 2006). Zanimljiv primjer su i slatkovodni glavoči roda Clamydogobius Whitley, 1930, koji naseljavaju arteške izvore i lokve u pustinjama središnje Australije te predstavljaju odvojenu slatkovodnu skupinu u odnosu na svoje morske pretke (Larson, 1995). Pojedine vrste žive u simbiotskom odnosu s drugim životinjama (npr. spužve, rakušci, ježinci; najpoznatiji primjer vrsta Crytocentrus steinitzni (Klausewitz, 1974) i dekapodni rakušac roda Alpheus Fabricius, 1798 (Preston, 1978; Karplus, 1979)), dok su vrste roda Gobiosoma Girard, 1858 „čistači“ te se hrane ektoparazitima drugih tropskih riba na koraljnim grebenima (Limbaugh, 1961; Losey, 1987; Nelson, 2006). Glavoče se većinom može naći na mekanom sedimentnom supstratu kao što su muljevita ili pjeskovita dna, dok znatan broj vrsta živi i na tvrdom supstratu (kamenje, stijene, antropogeni materijal) te u špiljama (Kovačić i Patzner, 2011). Također, neke vrste su kriptobentičke (tj. žive u pukotinama, šupljinama ili ispod raznog materijala, prema Miller, 1979, 1996), što otežava njihovo istraživanje in situ (Kovačić i Patzner, 2011). Fenotipski, glavoči su izrazito raznolika skupina, no sve ih karakterizira nekoliko zajedničkih morfoloških i bioloških osobina. Glavoči su male ribe čija prosječna duljina tijela rijetko prelazi više od 20 centimetara (cm) ukupne duljine (TL), dok većina vrsta doseže duljine od 5 do 10 cm (najmanji glavoč na svijetu je s Filipina Pandaka pygmaea Herre, 1927, čija ukupna duljina ne prelazi 1,3 cm, dok je najveći glavoč Gobioides broussenetii Lacepède, 1800 iz Karipskog mora, koji doseže veličine do 50 cm; Miller, 1986; Berra, 2001; Kovačić i Patzner, 2011). Većina glavoča nema plivaći mjehur (tj. hidrostatski organ za održavanje u vodenom stupcu povezan s probavnim sustavom) i kompletno razvijen sustav bočne pruge na tijelu (skupina osjetilnih tjelešaca koja registriraju pokrete i pritisak uz bočne strane tijela ribe), dok su navedene strukture prisutne kod većine današnjih riba (Berra, 2001; Nelson, 2006; Kottelat i Freyhof, 2007). Smatra se kako je nedostatak plivaćeg mjehura prilagodba na bentički način života, dok je bočna pruga djelomično reducirana i ograničena samo na glavu u obliku kanala i vanjskih nizova osjetilnih papila, koji čine važan skup dijagnostičkih morfoloških karakteristika za razlikovanje vrsta i rodova (Miller, 1986). Nadalje, gotovo svi glavoči imaju adhezivni (trbušni) disk nastao spajanjem trbušnih (pterygia ventralia) peraja, a smatra se kako im on, zbog podtlaka koji stvara, omogućuje olakšano održavanje u pridnenim dijelovima (Berra, 2001; Nelson, 2006). Tijekom reproduktivne sezone glavoči su izrazito teritorijalne ribe koje prezentiraju stereotipno ritualno udvaranje i intraseksualnu kompeticiju među mužjacima za ženku i gnijezdo (ljušture školjkaša, šupljine, pukotine, antropogeni materijal i dr.), odakle privlače partnerice na mrijest (Lindström i Hellström, 1993; Malavasi, 2003, 2009). Kod većine vrsta ženka polaže jaja na gornju površinu gnijezda (tzv. speleofilna reproduktivna taktika), a mužjak ga priprema i čuva
4 UVOD od drugih potencijalnih udvarača te se brine o mladima (roditeljska briga) dok se ne izlegnu iz jaja (Tavolga, 1956; Torricelli i sur., 1985; Lindström i Hellström, 1993).
Pokazalo se kako se današnji žarišni centar raznolikosti (eng. hot-spot) glavoča nalazi u Indo-australskom području (plitka tropska područja, tj. otočne skupine koje se pružaju u smjeru juga od Filipina, preko Indonezije do Nove Gvineje) iako je nekoliko skupina prisutno u Mediteranskom moru, Pacifičkom oceanu (istočni dio), Karipskom moru te u Atlantskom oceanu (istočno i zapadni dio) (Thacker, 2015). Fosilni nalazi pokazuju kako su se pripadnici podreda Gobioidei (glavoči u širem smislu, porodice Odontobutidae, Ryachthydidiae, Eleotridide, Butidae, Gobionellidae i Gobiidae, prema Thacker, 2009) razvili u slatkim, bočatim i rubnim morskim staništima tijekom kenozoika, s nekoliko primjeraka fosila poznatih iz eocena, oligocena i miocena u Europi (Gierl i sur., 2013; Prikryl, 2014). U mediteranskom području glavoči (Gobiidae i Gobionellidae) su najbrojnija skupina riba s oko 60 zabilježenih vrsta (Kovačić, 2020), dok u crnomorskom području obitavaju 33 vrste, a u sjeveroistočnom (SI) dijelu Atlantskog oceana 47 vrsta (za sve reference, vidi Kovačić i Patzner, 2011). Filogenija i sistematika glavoča i dalje ostaje djelomično nerazriješena, uz prisutnost mnogih fenotipski (morfološki) izrazito sličnih vrsta (od kojih neke još uvijek čekaju determinaciju i znanstveni opis) koje dodatno otežavaju ionako detaljne i kompleksne analize (Kovačić i Patzner, 2011). Poznato je kako glavoči u širem mediteranskom području (Mediteransko i Crno more te SI Atlantik) naseljavaju najraznolikija morska staništa, od plitkih obalnih ekosustava do velikih dubina preko 300 m (Miller, 1986). Od ukupnog broja, 27% vrsta naseljava vodeni stupac od površine do 2 m dubine, 31% naseljava pojas od 2 do 10 m, a samo 13% vrsta živi na dubinama većim od 50 m (Kovačić i Patzner, 2011). Većinom su bentičke ribe blisko vezane uz dno, pri čemu 60% vrsta preferira mekana dna (pijesak, mulj, sitni šljunak) u odnosu na tvrdi supstrat ili špilje (Kovačić i Patzner, 2011). Jedna je od najmanjih vrsta navedenog područja Speleogobius trigloides Zander i Jelinek, 1976 (do 2.26 cm TL), a jedna od najvećih Gobius cobitis Pallas, 1814 (do 27 cm TL), pri čemu samo 34% vrsta naraste iznad 10 cm TL (Miller, 1986; Kovačić i Patzner, 2011). Po brojnosti i ukupnoj raznolikosti vrsta sjeverni dio Mediteranskog mora (zajedno s Jadranskim morem; broj vrsta iznosi između 46 i 43 vrste) i Levantsko područje (istočni Mediteran s 29 do 37 vrsta) razlikuju se od središnjeg i zapadnog Mediterana (do 12 vrsta), dok se Crno more izdvaja zbog specifične zajednice i sastava vrsta u odnosu na druga područja (33 vrste). U SI Atlantiku živi manji broj vrsta u odnosu na Atlantski obalni dio (Kovačić i Patzner, 2011). Kovačić i Patzner (2011) navode kako je upravo sjeverni Mediteran najbrojniji vrstama i
5 UVOD mediteranskim endemima, a 2/3 (14 vrsta) svih mediteranskih endema egzistira u njegovim sjeverozapadnim dijelovima i Egejskom, Jonskom i Jadranskom moru s naglaskom na Jadran koji s 22 mediteranske endemske (morske) vrste dominira u odnosu na ostala područja. Zapažena brojnost i bogatstvo vrsta u Mediteranu posljedica je najvjerojatnije geoloških, hidroloških i klimatskih događaja na tom području, na što dodatno upućuje i broj endemskih vrsta (samo šest u SI Atlantiku nasuprot 24 u Mediteranu). Pretpostavlja se kako su današnje mediteranske endemske vrste vjerojatno evoluirale od svojih predaka iz Atlantskog oceana koji su nakon mesinske krize saliniteta (MSC) za vrijeme miocena (presušivanje Mediteranskog mora u razdoblju 5,9 ̶ 5,3 milijuna godina; Hsü i sur., 1977; Rögl, 1998; Krijgsman i sur., 1999; Quinard i Tomasini, 2000) mogle migrirati kroz Gibraltarski tjesnac te proći u Mediteransko more, koje je poslužilo kao refugij toplovodnim vrstama tijekom glacijalnih razdoblja (Briggs, 1974; Almada i sur., 2001). Među ostalim, temperaturne fluktuacije tijekom glacijalnih i interglacijalnih razdoblja u pleistocenu (2,5 ̶ 0,011 milijuna godina) mogle su utjecati na diversifikaciju i evoluciju tadašnje faune riba mediteranskog područja (uključujući i glavoča) zahvaljujući ponovnoj invaziji i rekolonizaciji Mediterana atlantskim vrstama (Almada i sur., 2001). U odnosu na morske vrste, mediteransko područje (uključujući Crno more i Kaspijsko jezero) naseljava 50 vrsta slatkovodnih glavoča zabilježenih u rijekama, potocima, jezerima i izvorima, sa slijevovima Jadranskog i Egejskog mora (od sjeverne Italije, južno preko Grčke do zapadne Anatolije) kao dominantnim žarišnim centrima njihove raznolikosti (Miller, 2003, 2004; Šanda i Kovačić, 2009; Freyhof, 2011). Zbog svoje raznolikosti i širokog areala pojedini autori (Miller, 1986, 2003, 2004; Smirnov, 1986) smatraju kako u europskim vodotocima i širem mediteranskom području (uključujući SI Atlantik, Mediteransko more i Crno more) postoje dvije skupine glavoča s alopatrijskom (diskontinuiranom) distribucijom: atlantsko-mediteranska (SI Atlantik i Mediteransko more) i pontokaspijska (Crno, Aralsko i Azovsko more i Kaspijsko jezero s pritocima). Atlantsko- mediteranska skupina predstavlja skupinu rodova (za ovu disertaciju najbitniji Gobius Linnaeus, 1758 i Zosterisessor Whitley, 1935, koji se danas smatra mlađim sinonimom roda Gobius), čiji su filogenetski odnosi i sistematski položaj kompleksniji i zamršeniji u odnosu na pontokaspijske vrste. Pontokaspijske vrste su monofiletska skupina glavoča sastavljena od vrsta rodova Babka Iljin, 1927, Benthophiloides Beling i Iljin, 1927, Benthophilus Eichwald, 1831, Caspiosoma Iljin, 1927, Mesogobius Bleeker, 1874, Neogobius Iljin, 1927, Ponticola Iljin, 1927, Proterorhinus Smitt, 1900 (Miller, 2003, 2004; Neilson i Stepien, 2009a; Medvedev, 2013), od kojih su neke vrste alohtone i invazivne u europskim vodotocima i sjevernoj Americi (npr. Neogobius melanostomus (Pallas, 1814), N. fluviatilis (Pallas, 1814),
6 UVOD
Ponticola kessleri (Günther, 1861) (Charlebois i sur., 1997; Stepien i Tumeo, 2006; Neilson i Stepien, 2009a)). One su, zajedno s mediteranskim Padogobius Berg, 1932 rodom, pleizomorfne s eurihalinim mediteranskim rodom Zosterisessor u redukciji ili gubitku slobodnih šipčica prsnih peraja (Miller, 2004), dok, kao i P. nigricans (Canestrini, 1867), imaju iznimno povećan broj kralješaka (29 ̶ 35) i reduciran plivaći mjehur u odnosu na mediteranske rodove (Miller, 2003, 2004).
Slika 1. Rasprostranjenost glavoča u slatkovodnim (crno) i morskim (sivo) ekosustavima diljem svijeta (preuzeto iz Berra, 2001). Napomena: autor uključuje sve glavoče u užem smislu unutar porodice Gobiidae (Gobiiformes; Gobioidei), a oni su se poslije modernim molekularnim analizama razdvojili na dvije zasebne porodice (Gobiidae i Gobionellidae prema Thacker, 2009, 2015).
1.2. Pregled najvažnijih filogenetskih istraživanja europskih glavoča linije Gobius (Gobiiformes, Gobiidae)
Iako su iznimno brojna skupina riba, glavoči se često izostavljaju iz evolucijskih i biogeografskih studija (Bellwood i Wainwright, 2002; Cowman, 2014), ponajprije zbog iznimne, ali i kompleksne raznolikosti (fenotipska, morfološka, ekološka, etološka, itd.), zamršene taksonomije (pogotovo bliskih vrsta, od kojih neke još uvijek čekaju na svoj opis), male veličine tijele te skrovite naravi, tj. kriptobentički način života (Thacker, 2011, 2015). Razvojem novih molekularnih metoda, u odnosu na tradicionalne morfološke i
7 UVOD morfometrijske analize, kompleksna slagalica povezana s evolucijom mnogih vrsta i njihovim filogenetskim odnosima počela se djelomično sastavljati (Thacker, 2009). Donedavno su glavoči smatrani podredom unutar grgečki (Gobioidei; Perciformes), te su zajedno s podredovima Percoidei i Labroidei činili 3/4 ukupne brojnosti svih opisanih grgečki (Berra, 2001; Nelson, 2006). U ovoj disertaciji pratit će se filogenetski odnosi i taksonomski položaj glavoča koje predlažu Thacker (2009) i Betancur-R i sur. (2017), prema kojima se glavoči izdvajaju od grgečki, a red Gobiiformes postaje dio subdivizije Percomorphaceae (serija Gobiaria, Betancur-R i sur., 2017) unutar kojega se prepoznaje podred Gobioidei sa šest porodica: Rhyacichthyidae, Odontobutidae, Butidae, Eleotridae, Gobionellidae i Gobiidae (Thacker, 2009). Također, Agorreta i sur. (2013) grupiraju sve glavoče unutar jedne porodice Gobiidae, ali prepoznaju unutar nje nekoliko nezavisnih evolucijskih linija, od kojih je za ovu disertaciju najvažnija linija Gobius. Treba imati na umu kako se, prema Thackeru (2009), glavoči dijele na dvije porodice (Gobiidae i Gobionellidae), dok Agorreta i sur. (2013) prepoznaju samo jednu porodicu (Gobiidae) s nekoliko potporodica, a za nas su najvažnije Gobiinae i Gobionellinae. Kao što je već navedeno, u ovoj disertaciji slijedit će se sistematika porodica koju predlaže Thacker (2009), dok će se nazivi linija preuzeti od Agorreta i sur. (2013).
Jedno od prvih interspecijskih istraživanja filogenetskih odnosa glavoča mediteranskog područja objavili su Penzo i sur. (1998). Cilj je tog istraživanja bio analizirati sekvence 12S i 16 S rRNA mitohondrijskih gena za trinaest vrsta glavoča (rodovi Gobius, Padogobius, Pomatoschistus Gill, 1863, Knipowitschia Iljin, 1927, Zebrus de Buen, 1930, Zosterisessor) kako bi se istražili odnosi među pojedinim vrstama te kako bi se razriješilo pitanje kada se prvi put javlja preferencija na slatkovodno stanište kod proučavanih vrsta (tri su vrste u analizi bile isključivo slatkovodne), uzimajući u obzir geološki kontekst šireg mediteranskog područja. Prijašnja su istraživanja navodila kako se preferencija na slatkovodna staništa razvila nekoliko puta nezavisno, upućujući na polifiletske odnose među talijanskim glavočima (Miller i sur., 1994). Metodama najveće parsimonije (MP) i metodom genetske udaljenosti (NJ), rezultati istraživanja pokazali su kako su se istraživane vrste grupirale u dvije grupe (eng. clade) na filogenetskom stablu: prva obuhvaćajući vrste iz rodova Knipowitschia i Pomatoschistus, a druga grupirajući sve ostale vrste (rodovi Gobius, Padogobius, Zebrus, Zosterisessor). U prvoj su se grupi oba roda Knipowitschia i Pomatoschistus pokazala parafiletskima, kao i rod Gobius iz druge grupe jer su se sve morske vrste s preferencijom na muljevito/pjeskovito stanište (Gobius niger Linnaeus, 1758, G. auratus Risso, 1810, G.
8 UVOD bucchichi Steindachner, 1870, i Zosterisessor ophiocephalus (Pallas, 1814)) grupirale zajedno. Također, u drugoj grupi rod Padogobius pokazao se parafiletskim zato što se P. nigricans grupirao kao sestrinska vrsta s G. paganellus Linnaeus, 1758, dok je P. bonelli (Bonaparte, 1846) prikazan bazalnom vrstom u odnosu na prijašnje dvije. Zebrus zebrus (Risso, 1827) sestrinska je vrsta u odnosu na G. paganellus + Padogobius spp. grupu (Penzo i sur., 1998). Dobiveni rezultati pokazali su kako se preferencija na slatkovodno stanište talijanskih glavoča (Orsinigobius punctatissimus (Canestrini, 1864), Padogobius nigricans i P. bonelli) razvila nekoliko puta (polifiletsko podrijetlo) iako je odnos između P. nigricans i G. paganellus ostao nerazriješen, odnosno iako morfološki slični, P. nigricans i P. bonelli pokazali su se kao nesestrinske vrste (Penzo i sur., 1998). Ti su rezultati pokazali kako je preferencija na slatku vodu najvjerojatnije posljedica jednog od dvaju scenarija: preferencija se javlja nekoliko puta nezavisno kod vrsta roda Padogobius ili samo jednom, kod pretka grupe G. paganellus + Padogobius spp., nakon čega se sekundarno gubi kod G. paganellus koji je eurihalina/morska vrsta (Penzo i sur., 1998). Stoga je bliska filogenetska srodnost Z. ophiocephalus s drugim vrstama roda Gobius, zajedno s navedenim slučajem G. paganellus + Padogobius spp., pokazala kako je rod Gobius najvjerojatnije parafiletskog podrijetla (McKay i Miller, 1991; Penzo i sur., 1998). Autori su zaključili kako je inicijalno razdvajanje dviju grupa (glavoči pijeska i Gobius, + Padogobius + Zosterisessor) vjerojatno rezultat odvajanja Parateisa (Pontokaspijsko područje) od mediteranskog oceana Tetisa prije 10 ̶ 12 milijuna godina (Steininger i Rögl, 1984). Prilagodba istraživanih glavoča na slatkovodno stanište rezultat je vjerojatno mesinske krize saliniteta u Mediteranu (prije 5,5 milijuna godina) i razdoblja poznatog kao „Lago Mare“ (Hsü i sur., 1977) ili zapadnog širenja azijske ihtiofaune kroz Panonski kanal prije 24 milijuna godina u miocenu (Banarescu, 1992).
Radi rješavanja filogenetskih odnosa i sistematskog položaja vrsta iz podreda Gobioidei, Thacker (2009) provodi detaljno molekularno istraživanje i analizu DNK sekvenci četiri mitohondrijska biljega (COI, ND1, ND2 i cyt b) izoliranih iz jedinki glavoča reda Gobiiformes, a u analizu uključuje podatke o nekoliko njihovih fenotipskih i ekoloških karakteristika. Rezultati tog istraživanja pružili su dublji uvid u zamršenu sistematiku glavoča, naglašavajući kako bi se redu Gobiiformes trebala vratiti taksonomska jednakost u odnosu na Perciformes (tj. glavoče odvojiti od grgečki u zasebnu taksonomsku cjelinu, tj. red) te kako unutar navedenog reda postoje tri odvojene grane (podreda), od kojih monofiletski podred Gobioidei obuhvaća šest porodica (Odontobutidae, Rhyacichthyidae, Eleotridae, Butidae, Gobiidae i Gobionellidae) u odnosu na prije predloženih devet (Miller, 1973; Springer, 1983;
9 UVOD
Hoese, 1984; Hoese i Gill, 1993; Johnson i Brothers, 1993; Thacker, 2000). Provedeno je istraživanje doprinijelo sveukupnom znanju o filogenetskim odnosima pojedinih skupina glavoča te simplificiralo zamršenu sistematiku grupirajući neke manje skupine (potporodice) u više taksonomske cjeline (porodice). Uz to, rezultati su pokazali kako su dvije najbrojnije i najraznolikije skupine unutar Gobioidei upravo Gobiidae i Gobionellidae (glavoči u užem smislu), od kojih brojnija Gobiidae obuhvaća većinom morske vrste, a Gobionellidae slatkovodne i bočate taksone (Thacker, 2009).
Neilson i Stepien (2009a) istražili su interspecijske filogenetske odnose i sistematski položaj pontokaspijskih vrsta (skupina Benthophilinae Iljin 1927) koristeći analizu DNK sekvenci za dva mitohondrijska (cyt b i COI) i dva jezgrena (RAG1 i S7) gena uz pomoć metoda filogenetske rekonstrukcije: metoda najveće parsimonije (MP), metoda najveće vjerodostojnosti (ML) i Bayesova metoda (BI). Dodatni su ciljevi istraživanja bili istražiti monofiletsko podrijetlo pontokaspijskih vrsta, objasniti ekološku prirodu njihova invazivnog karaktera te uklopiti hipotezu o njihovoj evoluciji u geološke događaje i paleoklimatske promjene navedenog područja (Aralsko, Azovsko i Crno more te Kaspijsko jezero s pritocima, prema Reid i Orlova, 2002). Istodobno, istraživanje je provedeno kako bi se pontokaspijski glavoči, prije svrstani u jedinstveni rod Neogobius sensu Berg (1949), razdvojili, prateći taksonomske norme, u odgovarajuće sistematske kategorije (rodove i vrste). Kombinirani filogenetski rezultati, temeljeni na četiri gena, pokazali su kako su pontokaspijski glavoči zaista monofiletska skupina unutar porodice Gobiidae, unutar kojih se razdvajaju tri skupine visoke podržanosti (>85%): Neogobiini (vrste roda Neogobius), Benthophilini (rodovi Benthophilus i Caspiosoma) te Ponticolini (Proterorhinus, Mesogobius, Babka i Ponticola). Na filogenetskom stablu skupina Neogobiini pokazala se sestrinskom grupom drugoj grupi sastavljenoj od vrsta grupe Benthophilini i Ponticolini (95% ML bootstrap). Također, detaljna je analiza divergencije (na cyt b koristeći ML) pokazala kako su se pontokaspijski glavoči odvojili od ostatka Gobiidae prije oko 39 milijuna godina, s naglaskom na tome kako se posljednji zajednički predak vrsta rodova Neogobius, Babka, Proterorhinus i Ponticola razdvojio prije oko 10 milijuna godina kada su se razdvojili Pontokaspijski i Panonski bazeni (Reid i Orlova, 2002; Neilson i Stepien, 2009a). Razdvajanje Crnog mora od Kaspijskog jezera (prije 5,8 – 5 milijuna godina) u isto vrijeme kao i mesinska kriza saliniteta u Paleomediteranu i crnomorskom slijevu, dovelo je do razdvajanja vrsta unutar skupine Neogobiini. Rezultati molekularne analize navode kako su se nakon 5,0 milijuna godina sve skupine Benthophilinae najvjerojatnije razdvojile, nakon čega
10 UVOD je počela interspecijska evolucija pojedinih rodova, i morskih i slatkovodnih (Reid i Orlova, 2002; Neilson i Stepien, 2009a).
Thacker i Roje (2011) analizirali su, kao dopunu prijašnjem istraživanju (Thacker, 2009), izolirani set DNK sekvenci za pet gena (tri mtDNA – CO1, ND1 i ND2 i dva nDNA – RAG2 i Rho) za 100 vrsta iz porodice Gobiidae (potporodice Gobiinae, Microdesmidae, Ptereleotridae, Kraemeriidae i Schindleriidae) radi dobivanja boljeg uvida u njihove filogenetske odnose. Provedeno istraživanje uključilo je u molekularne analize genski materijal gotovo svih poznatih grupa Gobiidae, uzimajući u obzir i američke, pontokaspijske, atlanstko-mediteranske vrste. Rezultati provedenog istraživanja pokazali su kako unutar porodice Gobiidae postoje tri monofiletske grupe (eng. clades) i trinaest linija (eng. lineages), čiji su međusobni odnosi na filogenetskom stablu slabo poduprti, ali je zato unutar linija poduprtost grananja iznosila 80% (boostrap) ili više (Thacker i Roje, 2011). Zanimljivo je kako su se unutar treće i ujedno najveće linije grupirali rodovi Novog svijeta i Indonezije, ali i atlantski, pontokaspijski i mediteranski rodovi (Thacker i Roje, 2011). Detaljniji je uvid u filogenetske odnose otkrio kako na filogenetskom stablu pontokaspijski glavoči čine sestrinsku grupu s atlantsko-mediteranskim vrstama (rod Gobius i Zosterisessor) s čvorom visoke podržanosti (80%), dok afrički rodovi Coryogalops Smith, 1958 i Caffrogobius Smitt, 1900 čine sestrinsku grupu s već navedenom skupinom (Thacker i Roje, 2011). Autori naglašavaju kako navedena grupa (pontokaspijske i atlantsko-mediteranske vrste) čini monofiletsku skupinu, a rezultati molekularnog istraživanja koje su proveli Neilson i Stepien (2009a) uputili su na sličan scenarij, s odnosima među pojedinim pontokaspijskim vrstama malo drugačijim u odnosu na Thacker i Roje (2011) (unutar skupine Benthophilinae Neogobiini čini bazalnu skupinu, dok su Ponticolini i Benthophilini sestrinske skupine). Ti su rezultati objašnjeni u svjetlu geološke prošlosti i događaja šireg mediteranskog područja te naglašavaju kako su mesinska kriza saliniteta (tj. isušivanje mediteranskog područja i formiranje slanih i slatkih jezera diljem mediteranskog i pontokaspijskog područja prije 5,9 – 5,3 milijuna godina) i naknadan dotok morske vode kroz Gibraltarski tjesnac (prije 5,3 milijuna godina) imali znatan utjecaj na diversifikaciju vrsta navedenog područja (Penzo i sur., 1998; Simonović, 1999; Neilson i Stepien, 2009a).
Nadalje, Agorreta i sur. (2013) analizirali su sekvence pet genetičkih biljega (dva mtDNA – 12S/16S i cyt b - i tri nDNA – zic1, sreb2, RAG1) od 222 vrste podreda Gobioidei (glavoči u širem smislu) te pokušali detaljnije rekonstruirati njihove filogenetske odnose koristeći ML i BI metode, s posebnim naglaskom na europske vrste i filogenetske odnose među njima.
11 UVOD
Slično kao i Thacker (2009), rezultati molekularnog istraživanja Agorreta i sur. (2013) pokazali su kako je podred Gobioidei monofiletskog podrijetla te kako stabla upućuju na slične topologije, tj. filogenetski najbazalnije porodice među Gobioidei su upravo Rhyacichthyidae i Odontobutidae koje na filogenetskom stablu predstavljaju sestrinsku grupu za sve ostale porodice unutar Gobioidei (Slika 2). Naknadno se na filogenetskom stablu nakon Rhyacichthyidae i Odontobutidae odvojila porodica Eleotridae, a nakon nje Butidae koja se pokazala sestrinskom grupom porodici Gobiidae, unutar koje su autori prepoznali dvije visokopodržane podgrupe/potporodice (Gobiinae i Gobionellinae, Agorreta i sur., 2013). Uz to, rezultati navedenog istraživanja detaljnije su istražili filogenetske odnose među pojedinim europskim skupinama glavoča (36 rodova) koji se, s obzirom na molekularne analize temeljene na pet gena, grupiraju u tri odvojena evolucijska klastera: liniju Pomatoschistus, liniju Aphia Risso, 1827, i liniju Gobius (prva je dio podgrupe Gobionellinae, dok su zadnje dvije dio potporodice Gobiinae, Agorrera i sur., 2013). Većina se europskih glavoča, zajedno s afričkim skupinama (Sufflogobius Smith, 1956, Gorogobius Miller, 1978, Corcyrogobius Miller, 1972, Chromogobius Buen, 1930 i dr.), grupirala u liniju Gobius, što potvrđuje kako nekoliko istočno atlantskih tropskih rodova dijeli bliske filogenetske odnose s europskim vrstama, ali i da afrički glavoči prema Thacker i Roje (2011) ne predstavljaju monofiletsku skupinu (Agorreta i sur., 2013). Kao i u prijašnjim analizama (Neilson i Stepien, 2009a; Thacker i Roje, 2011, Tornabene i sur., 2013), pontokaspijski glavoči pokazali su se, na temelju provedenih analiza, monofiletskom skupinom blisko povezanom s europskim rodovima Gobius i Zosterisessor (Agorreta i sur., 2013). Također, rezultati provedenog istraživanja pokazali su kako je linija Gobius, uklanjanjem enigmatičnog taksona Kraemeria Steindachner, 1906 iz analiza, blisko povezana s rodom Priolepis Valenciennes, 1837 rodom (Pacifički ocean) i skupinom Gobiosomatini (Karipsko more) (Agorreta i sur., 2013).
12 UVOD
Slika 2. Filogenetsko stablo (filogram) vrsta unutar podreda Gobioidei rekonstruirano na temelju pet različitih genetičkih biljega (dva mitohondrijska i tri jezgrena) metodom najveće vjerodostojnosti (ML). Na stablu se odvaja pet porodica unutar podreda Gobioidei (Odontobutidae, Rhyacichthyidae, Eleotridae, Butidae, Gobiidae), dok su glavoči u užem smislu podijeljeni na dvije potporodice unutar Gobiidae (Gobiinae i Gobionellinae). Ispunjeni čvorovi na podržanost ML (BP > 70%), dok neispunjeni čvorovi na podržanost ML (BP < 70%). Skala predstavlja supstitucije po mjestu na grani stabla. Preuzeto iz Agorreta i sur., 2013.
Biogegrafske karakteristike te migracijske rute glavoča tijekom kenozoika (Gobiiformes, Gobioidei) istražene su u Thacker (2015) filogenetskim istraživanjem mitohondrijskih ND1, ND2, COI i niklearnih RNF, Rho, RAG2 gena, za ukupno 83 glavoča u užem smislu (Gobiidae i Gobionellidae) s Oxyeleotris lineolata (Steindachner, 1867) (Butidae) kao vanjskom grupom (eng. outgroup), radi temporalnog (vremenskog) kalibriranja pojedinih grupa i određivanja njihova ancestralnog areala. Također, u istraživanju su molekularnim podacima integrirani i podaci o recentnoj distribuciji i fosilnim nalazima glavoča kako bi se
13 UVOD rekonstruirali povijesni pravci i rute invazije pojedinih grupa i rodova glavoča. Prema literaturi, tijekom kenozoika postojalo je nekoliko vrućih točaka povezanih s uzajamnom rapidnom diversifikacijom i radijacijom koralja i glavoča (zapadni Tetis – Mediteran, zapadni Indijski ocean, Indopacifik) (Wood, 1999; Bellwood i Wainwright, 2002; Renema i sur., 2008). Dobiveni rezultati molekularnog istraživanja Gobiidae i Gobionellidae, s topologijama na filogenetskom stablu i odnosima među pojedinim grupama, nisu znatno odstupali od prijašnjih istraživanja (Thacker i Roje, 2011; Thacker, 2013, 2014; Agorreta i sur., 2013), a filogenetsko je istraživanje pokazalo kako je linija Gobius (mediteranski i pontokaspijski glavoči) blisko povezana (sestrinski položaj) s američkom skupinom Gobiosomatini. Vremenski kalibrirana filogenija pokazala je kako su glavoči porodica Gobiidae i Gobionellidae najvjerojatnije evoluirali u razdoblju od oko 12 – 13 milijuna godina tijekom eocena, od otprilike 48,7 pa do 36,2 milijuna godina, s ancestralnin arealom za Gobiidae + Gobionellidae smještenim u Indopacifiku (gdje su i danas najbrojnija skupina), a ne u Mediteranu ili zapadnom Indijskom oceanu (Thacker, 2015). Prema rezultatima istraživanja, smatra se kako je za skupine unutar Gobionellidae evolucijsko podrijetlo vezano za Mediteransko more, dok je linija Pomatoschistus do danas zadržala takvu rasprostranjenost. Za skupine Gobiidae, ancestralnim arealom predložen je Indopacifik, dok je linija Gobius najvjerojatnije evoluirala na području zapadnog Indijskog oceana (Thacker, 2015; Slika 3). Nakon evolucije u Indopacifiku glavoči su najvjerojatnije rapidno migrirali te naselili istočni Tihi ocean, Atlantski ocean te Mediteransko more; skupina Gobiidae stigla je do Atlantskog preko zapadnog Tethys oceana, gdje je naknadno izumrla, dok se skupina Gobionellidae nije proširila iz oceana Tetisa dalje od SI Atlantika (Thacker, 2015).
14 UVOD
Slika 3. Geografska karta koja prikazuje globalne migracijske rute linija (eng. lineages) unutar porodice Gobiidae, s ancestralnim mjestom nastanka smještenim u Indopacifiku. Linija Gobius naselila je područja izvan Indopacifika (Mediteransko more, sjeveroistočni i jugoistočni Atlantski ocean, zapadni Indijski ocean) iako geološka i hidrološka karta globalnoga kontinentalnog područja u kenozoiku nije izgledala kao što izgleda danas (Indijski ocean i Mediteransko more bili su spojeni, kao i zapadni Atlantski i istočni Tihi oceani). Preuzeto iz Thacker, 2015.
1.3. Bioakustika, znanost o zvukovima u prirodi
Komunikacijski signal je bilo kakva promjena/signal jedinke odašiljača koja izaziva odgovor u ponašanju (tj. etološkom kontekstu) jedinke primatelja (Otovic i Partan, 2009). Većina životinja komunicira koristeći istovremeno nekoliko različitih signala (kemijskih, zvučnih, vizualnih itd.) pomoću različitih senzornih kanala, a taj je proces poznat pod nazivom „multimodalna“ ili „multisenzorna komunikacija“ (Otovic i Partan, 2009). Mnoge životinje, uključujući sisavce, ptice, žabe, ali i kukce, ribe i paukove, stvaraju zvukove (tj. akustičke signale) kako bi prenijele važne informacije ili usmjerile svoje ponašanje, a modulacijom svojih akustičkih parametara reguliraju sadržaj, tj. skup informacija koje taj zvuk prenosi (Simmons, 2003; Ladich, 2015; Suthers i sur., 2016; Ladich i Winkler, 2017). Zvukovi, kao sredstvo komunikacije, prenose ključne biološke informacije za jedinku, kao što su lokacija (hrane, partnera, predatora, objekta u okolišu), identitet (vrste, jedinke ili spola), socijalni status (dominantnost ili podređenost), motivacija (strah, bijes, spremnost za parenje) i dr. (Simmons, 2003). Ukratko, zvuk je fizički poremećaj u nekom mediju (vodi ili zraku) nastao kao rezultat pomicanja molekula zbog mehaničke aktivnosti (Simmons, 2003).
15 UVOD
Najjednostavnije objašnjeno, zvuk se može vizualizirati kao niz periodičkih i sinusoidnih promjena tlaka vode ili zraka tijekom vremena (Slika 4). Zbog fizičkog poremećaja uzorkovanog npr. glasnicama u grkljanu ili bubnjem, molekule u mediju se zbijaju (kondenzacija) ili šire (rarefrakcija) oko svojega ravnotežnog položaja (eng. equilibrium), šireći se u smjeru longitudinalnih valova (Beeman, 1998; Simmons, 2003). U blizini izvora zvuka molekule u zraku/vodi fizički se pomiču od svog ravnotežnog položaja u obliku gibanja čestica (eng. particle motion), što se naziva komunikacija u blizini polja, dok se one čestice (kondenzacije i rarefrakcije) koje se šire daleko od mehaničkog izvora zvuka šire kroz medij u obliku valova pritiska/tlaka (eng. pressure waves) te predstavljaju komunikaciju u daljini polja (na udaljenostima od izvora zvuka većim od 1 ̶ 3 valne duljine, komunikacija u daljini polja dominira u odnosu na komunikaciju u blizini polja; Simmons, 2003). Navedene razlike imaju važno biološko značenje budući da neke životinje (pogotovo kralješnjaci) komuniciraju na velikim udaljenostima (šišmiši, kitovi, i dr.), pri čemu se koriste valovi pritiska koji se dalje šire kroz medij, a mogu ih detektirati organi za sluh (uši), dok kod riba i žaba slušni organi detektiraju oba tipa širenja čestica (Simmons, 2003; Ladich, 2014; Ladich i Schulz- Mirbach, 2016; Ladich i Winkler, 2017). Neki su od najbitnijih parametara zvuka (tzv. akustičke varijable), važnih za životinjsku komunikaciju i prijenos informacija: frekvencija (u Hercima, Hz), amplituda (dB), faza, period (milisekunda), valna duljina (cm) i trajanje (sekunda). Odnosi među pojedinim parametrima imaju ključnu biološku važnost za životinje budući da još uvijek nije poznato npr. u kojem su odnosu frekvencija i period, tj. kako životinje percipiraju zvuk: u obliku broja ciklusa (kondenzacije i rarefrakcije) u određenom periodu (frekvencija) ili prema trajanju pojedinog ciklusa (period) (Simmons, 2003). Nadalje, ne reagiraju sve životinje na isti spektar frekvencija. Primjerice, ljudi registriraju zvukove frekvencije od 20 do 20.000 Hz (zvuk frekvencije ispod 20 Hz naziva se infrazvuk, a iznad 20.000 Hz ultrazvuk), slonovi registriraju zvukove ispod 20 Hz, dok sluh šišmiša i kitova registrira zvukove frekvencije i do 150.000 Hz koji se koristi kao sonar za eholokaciju (Simmons, 2003, Ladich i Winkler, 2017). Nadalje, valna duljina (λ), kao jedna od važnih prostornih parametara zvuka koja se odnosi na udaljenost u prostoru između dva susjedna brijega zvuka, razlikuje se za zvukove stvorene u zraku (gdje je brzina širenja zvuka zbog gustoće medija 343 m s-1) u odnosu na one stvorene u vodi (brzina zvuka iznosi 1.500 m s-1, uz minimalno prigušenje s udaljenosti), zbog čega je logično da će akvatičke životinje (kitovi i perajari) koristiti upravo zvukove manjih frekvencija (ali i dulje valne duljine) u odnosu na šišmiše (Simmons, 2003; Ladich i Winkler, 2017). Au i Hastings (2008) navode kako je upravo zvuk, zbog svoje sposobnosti dalekog raspršivanja i prelaska velikih udaljenosti, kao i
16 UVOD male apsorpcije, idealan tip komunikacijskog signala u vodenim ekosustavima. Navedene razlike u valnoj duljini imaju znatan utjecaj na sluh akvatičkih životinja i na lokalizaciju zvuka, ponajprije zbog odnosa valne duljine i razlike u udaljenosti slušnih organa (tj. ušiju), zbog čega neke životinje ne mogu registrirati zvukove velikih valnih duljina (Simmons, 2003).
Bioakustika (od grč. bios – život; akoustikos – slušno, čujno) je interdisciplinarna grana znanosti koja povezuje mnoge druge znanstvene discipline (zoologiju, animalnu fiziologiju, etologiju, akustiku – fiziku, i dr.), a proučava životinjske zvukove (uključujući i ljudske), tj. njihovo stvaranje, širenje (disperziju) i primanje (recepciju), utjecaj okoliša na akustičku komunikaciju, njegovu funkcionalnu povezanost s akustičkim parametrima životinjskih zvukova te, u novije vrijeme, utjecaj antropogene buke na fiziologiju i komunikaciju životinja (http://www-3.unipv.it/cibra/edu_underwaterbioacoustics_uk.html; Amorim i sur., 2018; De Jong i sur., 2018). Bioakustika proučava i fiziološke procese povezane sa stvaranjem i primanjem zvuka te istražuje kako funkcioniraju organi za primanje zvukova kod raznih životinja (većinom unutarnje uho, ali i kosti, čeljusti, otoliti itd. (Ladich i Schulz-Mirbach, 2016)). Razvoj bioakustike kao znanstvene discipline blisko je povezan s razvojem moderne tehnologije, pogotovo one za dokumentaciju zvukova (Beeman, 1998). Važna je prekretnica u tehnologiji (te ujedno i u bioakustici) postignuta oko 1950-ih godina, kada su razvijeni uređaji za snimanje, vizualizaciju i mjerenje akustičkih signala (mikrofon, hidrofon, osciloskop i spektrograf), dok je rapidni napredak u znanosti postignut razvojem digitalnih računala i naprednih matematičkih programa za modeliranje, prikaz i automatsku analizu zvukova (Beeman, 1998). Podvodna akustika je podgrana znanstvene discipline akustike koja proučava i istražuje širenje zvukova pod vodom, a razvila se isključivo zahvaljujući sonaru koji omogućuje detekciju objekata pod vodom i procjene dubine vode radi lakše navigacije (http://www-3.unipv.it/cibra/edu_underwaterbioacoustics_uk.html). Iako se većina tehnologije povezane s pasivnim sonarima i alatima za podvodno snimanje (npr. hidrofon) razvila zahvaljujući vojsci, u novije se vrijeme pasivni sonari koriste za detekciju i praćenje životinjskih zvukova, ponajprije onih koje stvaraju kitovi, ali i ribe, radi procjene njihove biomase te mjerenja globalne prosječne temperature i njenih fluktuacija u okolišu (http://www-3.unipv.it/cibra/edu_underwaterbioacoustics_uk.html; Urick, 1983; Au, 1993; Richardson i sur., 1995). U novije vrijeme razlikujemo dva tipa podvodne akustike: a.) aktivnu, koja koristi snop zvučnih valova stvorenih pomoću električnih pretvarača (eng. beamers) i primjenjuje akustičke metode raspršenja (eng. scattering methods) na organizmima
17 UVOD radi monitoringa i vizualizacije riba i ribljih populacija na određenim dubinama i b.) pasivnu, koja se temelji na hidrofonu te tehnikama snimanja i slušanja zvukova riba (i drugih vokalnih akvatičkih životinja) radi dobivanja detaljnih informacija o njihovoj distribuciji i ponašanju (Mann i sur., 2008). Kao osnovna pretpostavka pasivne akustike navodi se sposobnost ribe da producira zvuk te je kao takva podosta ograničena na one vrste koje se aktivno (ili pasivno) glasaju, ali i na lokaciju i vrijeme kada se one glasaju u svome okolišu i staništu (Mann i sur., 2008). Aktivna akustika znatno je revolucionalizirala komercijalni ribolov tako da je omogućila korištenje sonara za ehosondiranje (sustav u kojem jedna sonda generira zvukove, dok jedan prijamnik ili više njih „sluša“, tj. hvata jeku koja nastaje odbijanjem od površina) kako bi se lokalizirale razne vrste riba (Sund, 1935; Balls, 1948). Dvije su osnovne mjere koje primjena ehosondara omogućuje povratni radarski signal jedinki koje su sondirane (tj. njihova gustoća iz koje se izračunava i brojnost) te volumen povratnog radarskog signala (Mann i sur., 2008). Pasivna akustika istražuje zvukove riba i njihov etološki kontekst koji je većinom povezan s agresivnim interakcijama i reprodukcijom (udvaranje i parenje) radi dobivanja informacija kada se odvija mrijest pojedinih vrsta te koliko je jedinki prisutno na određenom području (Mann i sur., 2008). Dok je u aktivnoj podvodnoj akustici sonar najbitniji tehnološki dio opreme, u pasivnoj je akustici hidrofon već desetljećima dio standardne aparature za dokumentaciju zvukova i prostorno-temporalnog položaja vokalnih riba (Mann i sur., 2008). Dok su sonari postali široko primjenjiv dio opreme za procjenu brojnosti riba, pasivna akustika, tj. hidrofoni, to dosad još uvijek nije postigla. Razlog je vjerojatno taj što sustav za snimanje nije niti kompaktan niti komercijalno dostupan te što se podaci dobiveni pasivnom akustikom ne mogu primijeniti u „stručne svrhe“ (procjena brojnosti riba, količina jaja i fekunditet ženki itd.) koje bi koristili agencije i konzervacijske tvrtke te zbog velike količina danas neizbježne antropogene buke koja otežava posao bilježenja i interpretacije podataka (Mann i sur., 2008). Pasivna akustika, kao primjenjiva i relativno jeftina metoda, danas se koristi širom svijeta u laboratorijske svrhe, u sklopu kojih stručnjaci pokušavaju dokumentirati i opisati zvukove riba u kontroliranim (laboratorijskim) uvjetima, istražiti etološki kontekst produkcije zvukova i fiziološke odgovore jedinki na akustičku produkciju. Kao što je već navedeno, osnovni je dio opreme u eksperimentima pasivne akustike hidrofon, koji pretvara zvukove ribe u električni impuls (napon, tj. razliku električnog potencijala u milivoltima) koji se poslije može obrađivati, analizirati te slušati u stvarnom vremenu (Mann i sur., 2008). Metode obrade zvuka podrazumijevaju pretvaranje analognog signala u digitalni te generiranje triju najvažnijih prikaza za opisivanje zvuka: spektrograma/sonograma (promjena frekvencije zvuka i temporalnih karakteristika tijekom trajanja zvuk), oscilograma
18 UVOD
(promjena trajanja zvuka u odnosu na amplitudu) i spektra frekvencije (promjena frekvencije zvuka u odnosu na amplitudu) (Mann i sur., 2008; Fine i Parmentier, 2015). Istodobno, sustav za pohranu podataka (većinom audiosnimke .wav formata) bitan je dio opreme koji može izravno biti povezan s hidrofonom ili bežičnom vezom ili, alternativno, putem prijenosnog računala (laptop s internom memorijom) koji omogućuje praćenje zvukova u stvarnom vremenu (Mann i Lobel, 1995). Negativne su strane pasivne akustike velike količine generiranog, sirovog materijala, tj. audiosnimki na kojima se ne nalaze ciljani zvukovi te nemogućnost povezivanja zvuka s videosnimkom kako bi se utvrdila vrsta životinje koja je proizvela zvuk (ako se hidrofoni postavljaju na morsko dno bez vizualnog nadzora kao što je to u laboratorijskim eksperimentima), tako da bi ubuduće napredne metode trebale razviti automatizirani sustav kojim bi se omogućilo automatsko identificiranje vrsta (i jedinki) životinja koje stvaraju zvuk i mjerenje njihovih akustičkih parametara (Mann i sur., 2008; Fine i Parmentier, 2015). Budući da većina riba stvara tihe zvukove (maksimalna zabilježena amplituda zvukova sjenki iz porodice Sciaenidae iznosi 160 dB re: 1 Pa na 1 m udaljenosti) niske frekvencije (do 2 kHz), njihov spektar preklapa se sa spektrom frekvencija okolne, često antropogene buke (brodovi, seizmička istraživanja), što dodatno otežava njihovo bilježenje (Amorim, 2006; Mann i sur., 2008; Ladich, 2014; Fine i Parmentier, 2015).
Slika 4. Primjer isječka audiosnimke (.wav format) na kojem se vidi niz tonalnih zvukova proizvedenih od mužjaka glavočića okrugljaka (Neogobius melanostomus). A. niz zvukove se
19 UVOD prikazuje u obliku oscilograma (vrijeme u sekundama vs. amplituda u miliVoltima), dok se na B. oni prikazuju spektrogramom ili sonogramom (frekvencija u kHz vs. vrijeme u sekundama). Jačina intenziteta boje upućuje na količinu akustičke energije prisutne u zvuku (oko 90 Hz), koja je prisutna do otprilike 500 Hz. C. prikazuje detaljnu strukturu tonalnog zvuka na kojem se vidi kako je zvuk sastavljen od periodičkih sinusoidalnih valova. Autor: Horvatić, S.
Kao izvedena grana iz podvodne akustike razvila se i podvodna bioakustika, interdisciplinarna grana koja istražuje podvodne zvukove i akustičke parametre životinja i njihovo akustičko ponašanje radi praćenja (monitoringa) te utjecaj okolišnih parametara (klima, morske struje, temperatura itd.) na produkciju i širenje zvukova, ali i razvoj novih tehnologija i instrumenata za njihovo podvodno širenje i praćenje (http://www- 3.unipv.it/cibra/edu_underwaterbioacoustics_uk.html). Ubrzan razvoj i znanstvena popularnost podvodne bioakustike može se pripisati hidrofonu (podvodnom mikrofonu), sofisticiranoj napravi koja omogućuje snimanje, detekciju i pohranu životinjskih zvukova. Ukratko, hidrofon registrira nadolazeći zvučni val te ga pretvara u električni signal (zbog čega se može smatrati električnim pretvaračem), dok je većina današnjih hidrofona omnidirektnog smjera, odnosno mogu registrirati zvukove iz svih smjerova te registrirati širok spektar frekvencija (od nekoliko pa da 100 kHz) (http://www- 3.unipv.it/cibra/edu_underwaterbioacoustics_uk.html). Današnja je primjena hidrofona raznolika, a većinom se koriste u eksperimentima pasivne akustike ili u obliku dipolarnog transekata tijekom uzorkovanja morskih staništa, u kojima se nekoliko hidrofona spaja u dugačak niz (sustav prijamnika) razdvojenih svega nekoliko metara, čime se može odrediti smjer i vremenski dolazak (s vremenskim zakašnjenjem) zvuka svakom pojedinačnom hidrofonu. Ako se povežu s uređajem za pohranu podataka velike veličine (ili u novije vrijeme imaju ugrađenu memorijsku karticu u svom hardveru) i automatsku analizu zvukova, hidrofoni služe kao iznimno prigodno autonomno sredstvo namijenjeno za pasivnu svrhu (npr. mogu se spustiti na morsko dno te određeno vrijeme skupljati i pohranjivati podatke o vokalnim aktivnostima životinja (http://www- 3.unipv.it/cibra/edu_underwaterbioacoustics_uk.html; Luczkovich i sur., 2008; Mann i sur., 2008) (Slika 5).
20 UVOD
Slika 5. Primjena raznih metoda podvodne akustike (aktivna i pasivna akustika) za detekciju, dokumentaciju i monitoring životinjskih zvukova u Atlantskom oceanu te procjenu utjecaja antropogenih zvukova i buke na akvatičke životinje. Zvukovi se bilježe pasivnom metodom pomoću autonomnih snimača (montiraju se na morsko dno ili u vodeni stupac; A i B) ili se registriraju aktivno, pomoću akustičkih oznaka (eng. acoustic tags; C), podvodnom jedrilicom (eng. autonomous underwater glider; D) i sustavom hidrofona povezanim u niz (eng. array of hydrophones; E). Preuzeto i prilagođeno s https://www.fisheries.noaa.gov/new-england-mid-atlantic/endangered-species- conservation/passive-acoustic-research-atlantic-ocean.
1.4. Bioakustika riba
Bioakustika riba posebna je grana bioakustike (i podvodne akustike) koja istražuje produkciju i detekciju zvukova riba, funkcionalnu povezanost akustičke komunikacije i sluha (orijentacije) te evolucijske sile i selektivne pritiske koji utječu na razvoj navedenih struktura kod riba (Ladich, 2014). Iako je sasvim logično zaključiti kako su organi za stvaranje zvukova (sonički ili vokalni organi), koji su kod riba najraznolikiji u odnosu na sve kralješnjake, povezani s akustičkom komunikacijom, i dalje je nedovoljno poznato što to zapravo ribe slušaju osim zvukova srodnih i nesrodnih vrsta (Ladich, 2014, 2019; Parmentier, i Fine, 2016; Parmentier i sur., 2017; Fine i Parmentier, 2017). Također, rezultati mnogih istraživanja pokazuju kako su se sluh i komunikacija zvukovima kod riba razvili sasvim neovisno, na što upućuje velika raznolikost i broj različitih mehanizama za stvaranje zvukova (Ladich, 2015; Wysocki i Ladich, 2002). Taj se paradoks može objasniti sljedećim primjerom. Istražujući
21 UVOD vokalni repertoar ribe Trichopsis vittata (Cuvier, 1831), Henglmüller i Ladich (1999) i Wysocki i Ladich (2001) otkrili su kako mlade jedinke T. vittata (do 0,3 g) stvaraju već nakon 87. dana razvoja zvukove nazvane „prasak“ zvukovima (eng. bursts) pomoću posebno građenih tetiva prsnih peraja koje pri produkciji zvukova vibriraju kao žice na gitari. Kada su usporedili audiogram (slušnu krivulju koja upućuje na područja najistančanijeg sluha) sa spektralnim vrijednostima frekvencije produciranih zvukova (akustička energija prisutna na pojedinim frekvencijama) mladih i odraslih jedinki (Slika 6), autori su uvidjeli kako se dvije krivulje u mlađim uzrasnim kategorijama ne preklapaju (do 0,3 g), dok je to slučaj kod odraslih riba (od 0,6 g), što ih je navelo na zaključak kako se mlade jedinke međusobno ne čuju te ne mogu komunicirati zvukovima (Wysocki i Ladich, 2001). Iz toga su Wysocki i Ladich (2001) zaključili kako se ontogenetski kod T. vittata (a vjerojatno i svih ostalih riba) najprije razvija sluh, a naknadno sposobnost za produkciju akustičkih signala, što im tek poslije omogućuje intraspecijsku razmjenu informacija pomoću zvukova, tj. akustičku komunikaciju (Slika 6.).
Slika 6. Razvoj akustičke komunikacije kod zrakoperke Trichopsis vittata. A. Shematski prikaz ontogenetskog razvoja akustičke komunikacije kod zrakoperke T. vittata. Inicijalno, kod malih se jedinki T. vittata razvija sluh na određene frekvencije zvuka (B. – crna krivulja), nakon čega se poslije javlja sposobnost jedinki za produkciju akustičkih signala (B. – plava krivulja). Tek se u kasnijim fazama ontogenetskog razvoja audiogram najveće osjetljivosti zvuka (C. – crna krivulja) poklapa sa
22 UVOD spektrom najveće frekvencije (i amplitude) zvukova (C. – zelena krivulja). Preuzeto iz Ladich, 2015. Crne strelice na audiogramu B. i C. prikazuju područje najboljeg sluha, a plava/zelena strelica označuje područje najveće energije zvuka pri određenim frekvencijama (spektar snage, DF). DF – dominantna frekvencija (kHz)
Iako je kod šaranki malo vrsta vokalno, tj. samo nekoliko vrsta stvara zvukove, one imaju napredne strukture za poboljšavanje sluha (npr. Webberov uređaj), zbog čega se smatraju specijalistima. S druge strane, glavoči nemaju dodatne slušne strukture, a gotovo su sve istraživane vrste vokalne (Ladich, 2014). Sposobnost recepcije zvukova kod svih kralješnjaka temeljena je na osjetnim stanicama s osjetnim dlačicama u unutarnjem uhu iako su se dodatne slušne strukture namijenjene primanju zvukova te mehanizmi za njihovu produkciju najvjerojatnije razvili nezavisno kod danas opisanih riba (Ladich i Popper, 2004; Ladich, 2000, 2017). Kod riba nalazimo najraznolikije mehanizme za stvaranje zvukova (zbog čega se često nazivaju kukcima među kralješnjacima) te, za razliku od ostalih kopnenih kralješnjaka gdje se mehanizam temelji isključivo na vibraciji membrana (npr. glasnica u grkljanu ili pjevalu), kod riba ne postoji jedinstveni primarni organ za stvaranje zvukova (Ladich i Fine, 2006; Ladich, 2014; Parmentier i Fine, 2016). Međutim, akustička komunikacija istražena je samo kod riba zrakoperki, dok je za paklare, morske pse i dvodihalice podosta toga nepoznato, uz tek nekoliko istraživanja provedenih do danas, zbog čega se smatra kako je akustička komunikacija kod riba i tretrapodnih kralješnjaka rezultat konvergentne evolucije (Thompson, 1968; Ladich i Fine, 2006; Bass i Chagnaud, 2012; Christensen i sur., 2015). Jedan su od prvih popisa akustički aktivnih riba i njihovih zvukova objavili, za potrebe američke mornarice, Fish i Mowbray (1970), a rezultati su pokazali kako većina riba stvara specifične zvukove ne uzimajući u obzir ekološki kontekst (položaj ribe i interakcije s drugim jedinkama) pri produkciji zvukova. Uz to, samo je nekoliko istraživanja pokušalo rekonstruirati filogenetske odnose između vokalnih vrsta riba (Pomacentridae, Gobiidae, Batrachoididae) koristeći samo akustičke parametre u analizama (Malavasi i sur., 2008; Parmentier i sur., 2009; Rice i Bass, 2009), a rezultati tih istraživanja pokazali su kako neke vrste imaju specifične zvukove koji prenose filogenetski signal (tj. skup specifičnih informacija koji otkrivaju filogenetsku pripadnost pojedine vrste) zaslužan za njihovu diferencijaciju od ostalih, često genetski srodnih vrsta. Nasuprot tome, kod nekih skupina, kao što su ribe klaunovi (Amphiprioninae, Pomacentridae), zvukovi ne odvajaju srodne vrste, najvjerojatnije zbog selektivnog utjecaja veličine tijela i konteksta produkcije zvukova (samo
23 UVOD teritorijalni) na akustičke, ponajprije spektralne, parametre, zbog čega se maskira njihov filogenetski signal (Colleye i Parmentier, 2012). Ukratko, nekoliko je glavnih tipova mehanizama za stvaranje zvukova kod riba iako ih je, zbog svoje iznimne raznolikosti, teško striktno definirati (Slika 7): 1.) sonički („bubnjajući“) mišići povezani s plivaćim mjehurom (direktni – unutarnji mišići koji se povezuju sa stjenkom plivaćeg mjehura (Slika 7A); indirektni – vanjski mišići vezani za kost te povezani s plivaćim mjehurom; mišići koji dovode do vibracije mjehura bez funkcionalne veze s njegovom stijenkom, već su povezani tetivama ili koštanim pločama Slika 7B); 2.) prsne peraje i oplećje (stridulacijski zvukovi stvaraju se pri prelasku bodlje prsne peraje preko oplećja kao kod npr. somovki, a mišići imaju dodatnu funkciju u plivanju), Slika 7C; kod vrsta roda Trichopsis dvije tetive vibriraju tijekom pomicanja peraja, Slika 7D; kod peševa cijelo oplećje vibrira kontrakcijama posebnih mišića pri produkciji zvukova, Slika 7E); 3.) mehanizmi koji ne pripadaju nijednoj od tih dviju grupa (ždrijelni zubi (Slika 7E) i ostale strukture). Zvukovi riba stvoreni navedenim mehanizmima sastoje se od pulseva (ili niza pulseva), čija akustička energija ovisi o tipu mehanizma koji ih je generirao: zvukovi stvoreni plivaćim mjehurom imaju harmonijsku strukturu, a njihova akustička energija na sonogramu ne prelazi više od 500 Hz, s vrijednostima fundamentalne frekvencije (oko 200 Hz) jednake rapidnim kontrakcijama mišića plivaćeg mjehura; bubnjajući (eng. drumming) zvukovi koji traju od nekoliko milisekundi do nekoliko minuta kao kod vrste Portichthys notatus; stridulatorni zvukovi stvoreni prsnim mehanizmom (peraje i oplećje) čija akustička energija na sonogramu prelazi 1 kHz; niskofrekvencijski zvukovi (< 200 Hz) stvoreni ždrijelnim zubima ili vibracijama oplećja; tonalni zvukovi stvoreni rapidnim i kontinuiranim serijama mišićnih kontrakcija (fundamentalna frekvencija i stopa mišićnih kontrakcija se preklapaju), s vrijednostima energije oko 200 – 300 Hz (za sve reference, pogledati Ladich, 2014). Anatomski, svi kralješnjaci, uključujući i ribe, imaju organe za recepciju zvukova, ali nema svaka vrsta i organe za njihovo stvaranje. Morfološki, organi za sluh, tj. recepciju, mogu se podijeliti na isključivo unutarnje uho i dodatne periferne organe za primanje zvukova ili poboljšavanje sluha povezane s unutarnjim uhom (Ladich, 2014). Unutarnje uho, kao zajednički organ svih kralješnjaka, sastoji se od tri polukružna kanalića (osim kod sljepulja i paklara gdje se sastoji od dva kanalića) i tri vrećice, od kojih svaka posjeduje karbonatni otolit (slušni kamenčić) prislonjen na niz trepetljikinih stanica. Budući da su ribe jednake gustoće kao okolni medij, zvučni val prolazi kroz njih i one se kreću u istom smjeru kao nadolazeći val. Jedina teža struktura koja zaostaje za tim pokretima i dovodi do nagibanja trepetljika jest otolit (grč. ὠτο-, ōto- uho; λῐ́θος, líthos, kamen), zbog čega se stvara razlika u njihovu pomaku u odnosu na
24 UVOD zvučni val, što se poslije u mozgu registrira kao niskofrekvencijski zvuk (Hawkins, 1993; Popper, 2011; Ladich, 2014). Kod pojedinih riba postoji funkcionalna (direktna ili indirektna) veza unutarnjeg uha sa strukturom ispunjenom plinom (plivaći mjehur), što im omogućuje da detektiraju promjene u akustičkom tlaku (od nekoliko Hz do nekoliko kHz) koje se u obliku vibracija plivaćeg mjehura, kod nekih preko koštanih struktura (Webberov aparat), prenose do unutarnjeg uha (Fay, 1988; Ladich, 2004), dok neke ribe, kao pripadnici skupine Anabantoidei, imaju suprabranhialnu komoru (Hawkins, 1993). Odgovor na pitanje zašto su se mehanizmi za stvaranje zvukova razvili kod većine bentičkih, ali ne i kod svih pelagičkih skupina riba nalazi se najvjerojatnije u njihovim životnim navikama; da bi riba bila vokalna i stvarala zvukove, ona mora braniti limitirani resurs (npr. teritorij, hranu itd.) od potencijalnih napadača te privlačiti partnere (većinom ženke) u nastambu ili gnijezdo (pogotovo kod speleofilnih ili litofilnih vrsta), zbog čega im zvukovi služe kao sredstvo zastrašivanja u slučaju agresivnih interakcija ili omogućuju veći reproduktivni uspjeh, tj. fitnes za vrijeme reproduktivnih interakcija (Ladich i Myrberg, 2006; Ladich, 2014). Kod nekih manjih porodica riba (Doradidae, Bagridae, Pimelodidae, Batrachoididae, Gadidae, Sciaenidae, Holocentridae, Pomacentridae i Carapidae) sve su vrste, ili gotovo sve, vokalne, dok je kod velikih skupina, kao što su šaranke (Cyprinidae), većina vrsta nijema s nekoliko izuzetaka (Johnston i Johnson, 2000; Holt i Johnston, 2014; Fine i Parmentier, 2015).
25 UVOD
Slika 7. Raznolikost mehanizama za stvaranje zvukova kod riba i spektrogrami/sonogrami zvukova stvorenih tim mehanizmima. A. unutarnji mišići (SMi) koji se povezuju sa stijenkom plivaćeg mjehura (SL) kod Halobatrachus didactylus; B. vanjski mišići (SMe) koji su vezani na drugo rebro (2R) te na tetivu (BT) na ventralnoj strani plivaćeg mjehura kod piranje Serrasalmus rhombeus; C. stridulacijski mehanizam kod somića kod kojeg se dorzalni izdanak (DP) prsne bodlje (PS) tare po oplećju (PG); D. poboljšane tetive prsne peraje (ETs) koje vibriraju kao žice gitare kod Trichopsis vittata; E. mehanizam ždrijelnih zuba (PT) kod češljoustki, sunčanica i dr. te mehanizam temeljen na vibracijama oplećja pomoću soničkih mišića (SM) kod peševa. SB – plivaći mjehur, VC – kralješnica, BT – tetiva, PM – prsni mišić. Preuzeto iz Ladich (2014).
1.5. Pregled najvažnije literature o bioakustici glavoča
Glavoči (Gobiidae i Gobionellidae) su jedna od najistraživanijih skupina vokalnih riba (zajedno s Pomacentridae, Batrachoidiidae, Gadidiae, Serrasalmidae) iako je zanimljivo kako nemaju nikakve specijalizirane mehanizme ili strukture za akustičku komunikaciju i primanje zvukova (npr. neke vrste nemaju čak ni plivaći mjehur (Ladich, 2014; Zeyl i sur., 2016)). Plivaći mjehur predložen je kao osnovni element mehanizma za produkciju zvukova kod mnogih skupina riba (Ladich i Fine, 2006), dok se kod glavoča pokazalo kako vrste koje imaju (Padogobius bonelli, Pomatoschistus minutus (Pallas, 1770), Gobius cruentatus Gmelin, 1789) ili nemaju (Padogobius nigricans, Neogobius melanostomus) navedenu strukturu i dalje imaju sposobnost vokalizacije (Zeyl i sur., 2016). Do danas su 24 vrste (oko 1,2% ukupne brojnosti, Fricke i sur., 2020) istražene u bioakustičkim eksperimentima, sa samo jednom vrstom (Economidichthys pygmaeus (Holly, 1929)) koja se nije glasala tijekom istraživanja (Gkenas i sur., 2010; Zeyl i sur., 2016). Zajedno s drugim vokalnim skupinama riba (Cottidae i Percidae) glavoči dijele konvergentne životne navike (bentički način života i speleofilni tip reprodukcije), zbog čega su jako dobri modelni organizmi u eksperimentima pasivne akustike, evolucijske biologije ili akustike općenito (Zeyl i sur., 2016). Oni stvaraju niskofrekvencijske zvukove (oko 200 – 300 Hz) tijekom agresivnih ili reproduktivnih interakcija, dok su od posebne važnosti akustički signali stvoreni tijekom parenja, za koje se smatra kako povećavaju reproduktivni uspjeh (tj. fitnes) mužjaka zbog utjecaja seksualne selekcije na akustička svojstva (Zeyl i sur., 2016). Eksperimenti povezani s anatomskom strukturom glavoča pokazali su kako plivaći mjehur najvjerojatnije nije uključen u proces produkcije zvukova (Lugli i sur., 2003; Parmentier i sur., 2013), a zbog morfoloških sličnosti kranio-pektoralnih mišića (onih vezanih za lubanju i prsne peraje) glavoča i peševa (Parmentier i sur., 2013; Colleye i sur., 2013), zajedno s dokumentiranim pokretima glave
26 UVOD
(klimanje) i prsnih peraja tijekom produkcije zvukova, smatra se kako se mehanizam za stvaranje zvukova temelji na kontrakcijama navedenih mišića. Naime, kako bi poboljšali transmisiju niskofrekvencijskih zvukova kroz akustički ograničeni okoliš (plitka voda ponaša se kao filtar za zvukove niskih frekvencija (Rogers i Cox, 1988; Mann, 2006)), glavoči iskorištavaju dva ekološka faktora: njihovi niskofrekvencijski zvukovi gotovo savršeno odgovaraju „tihom prozoru“ u frekvencijskom spektru okolišne buke (oko 150 – 300 Hz, Lugli i sur., 2003; Lugli, 2010) te amplificiraju frekvencije zvukova nastambama u kojima se razmnožavaju (Lugli, 2012, 2013, 2014). Zvukovi glavoča mogu se podijeliti s obzirom na vrijeme kada ih stvaraju, npr. tijekom agresivnih interakcija (mužjak – mužjak ili mužjak – ženka), za vrijeme privlačenja ženke koja je izvan nastambe (eng. courtship) i tijekom parenja u nastambi (eng. pre-spawning i spawning Lugli i sur., 1997; Lugli i Torricelli, 1999; Johnston i Johnson, 2000; Myrberg i Lugli, 2006). Prethodno spomenuti zvukovi ne šire se daleko u plitkim (obalnim) vodama, zbog čega se ne koriste za dalekometnu komunikaciju (Zeyl i sur., 2016). Od ukupnog broja istraživanih glavoča, njih 16 stvara isključivo pulsatilne zvukove u agresivnim ili reproduktivnim interakcijama, dok je kod ostalih vrsta akustička struktura zvukova tonalnog karaktera (udvaranje) ili kao dio kompleksnog zvuka (Lugli i sur., 1997). Kod malog broja vrsta zvukovi znaju biti popraćeni tupim zvukovima (eng. thump sounds) stvorenim tijekom udvaranja izvan nastambe kada mužjaci prilaze ženki (Amorim i Neves, 2007; Malavasi i sur., 2009). Većina vokalnih glavoča pripada porodicama Gobiidae i Gobionellidae (filogenija prema Thacker, 2009; Thacker i Roje, 2011), dok je jedina vokalna vrsta izvan navedenih skupina Odontobutis obscura (Temminck i Schlegel, 1845) (Odontobutidae) za koju su dokumentirani isključivo pulsatilni zvukovi (Takemura, 1984). Takvi rezultati, kao i veća učestalost pulsatilnih zvukova u odnosu na tonalne, naveli su neke autore na zaključak kako se sposobnost za produkciju zvukova kod glavoča u širem smislu (podred Gobioidei) javlja filogenetski dosta rano i kako su tonalni zvukovi odvedeno svojstvo budući da je porodica Odontobutidae sestrinska skupina svim drugim porodicama podreda Gobioidei (uključujući Gobiidae i Gobionellidae; Thacker, 2009; Agorreta i sur., 2013; Zeyl i sur., 2016). Slijedeći navedenu akustičku hipotezu, tonalni zvukovi mogli su potencijalno nastati od pulsatilnih tako da je u zvuku nestao period između dva pulsa, zbog čega se oni ponavljaju velikom brzinom, a zvukovi kratko traju te se moduliraju u frekvenciji (Malavasi i sur., 2008).
Jedno su od prvih detaljnih istraživanja vokalnog repertoara glavoča mediteranskog područja proveli Torricelli i sur. (1990). Autori su snimili zvukove te kvantitativnom i
27 UVOD kvalitativnom analizom opisali strukturu akustičkih signala teritorijalnih mužjaka slatkovodnog glavočića (Padogobius bonelli) te dodatno istražili kakav utjecaj okolišni (temperatura vode) i individualni faktori imaju na zvukove i njihova svojstva, pod hipotezom da kod ektotermnih organizama imaju znatan utjecaj na fiziologiju. Padogobius bonelli slatkovodna je vrsta autohtona za sjevernu Italiju (porječje rijeke Po), Švicarsku, Sloveniju i Hrvatsku, gdje naseljava male potoke s kamenim/šljunkovitim supstratom, a razmnožava se u kasno proljeće kada ženka polaže jaja na krov nastambe, a mužjak pokazuje paternalnu brigu za mlade (Miller, 2004). Zvukovi mužjaka P. bonelli bili su dokumentirani tijekom agresivnih (mužjak – mužjak) i reproduktivnih (udvaranje) interakcija, a kvalitativna je analiza pokazala kako se oni sastoje od rapidno produciranih pulseva, sa stopom ponavljanja koja se smanjuje kako zvuk odmiče kraju (Torricelli i sur., 1990). Nadalje, rezultati istraživanja pokazali su kako temperatura vode ima znatan utjecaj na pojedine akustičke parametre zvuka (stopu ponavljanja pulseva, modulaciju i trajanje) s posebnim naglaskom na stopu ponavljanja pulseva (prosječno oko 300 Hz) koja je negativno korelirana, dok je trajanje pozitivno korelirano s temperaturom. Veličina tijela (samim time i veličina mišića za stvaranje zvukova) nije bila znatno povezana s akustičkim parametrima, dok su agresivni zvukovi trajali dulje i imali manje vrijednosti stope ponavljanja pulseva (i fundamentalne frekvencije) od reproduktivnih zvukova, koji su se pokazali manje varijabilnima od agresivnih signala (Torricelli i sur., 1990). Autori zaključuju kako su male varijabilnosti reproduktivnih zvukova najvjerojatnije posljedica velike stereotipnosti signala uključenih u proces reprodukcije (Torricelli i sur., 1986; Torricelli i sur., 1990).
Lugli i sur. (1996) proveli su prvo komparativno akustičko istraživanje radi dokumentiranja i opisa akustičkih svojstava i zvukova triju talijanskih slatkovodnih glavoča (Padogobius bonelli, P. nigricans i O. punctatissimus) produciranih tijekom reproduktivnih intraspecijskih interakcija (udvaranje i parenje). Istovremeno, u sklopu laboratorijskih i in situ eksperimenata, autori su kvantitativno istražili etološki kontekst produkcije zvukova navedenih glavoča. Poznato je kako glavoči komuniciraju intraspecijski (mužjak – mužjak ili mužjak – ženka) koristeći istovremeno različite senzorne signale (vizualne, kemijske i akustičke, Tavolga, 1954), a kao osnovna pretpostavka provedenog rada bila je činjenica kako zvuk niskih frekvencija proizveden na malim udaljenostima potencijalno ima važnu ulogu u reprodukciji glavoča. Provedeno je istraživanje pokazalo kako je vokalni repertoar glavoča iznimno velik, a u slučaju slatkovodnog glavočića P. bonelli sastoji se od čak tri, akustički različita, zvuka (tonalni, pulsatilni i kompleksni) stvorenih tijekom različitih faza
28 UVOD reprodukcije. Tonalni zvukovi P. bonelli, zabilježeni ovim i prijašnjim istraživanjima (Torricelli i sur., 1986; Torricelli i sur., 1990), stereotipni su signali kratkog trajanja (oko 200 – 300 ms), čiji zbijeni pulsevi odaju izgled sinusoidnog vala produciranog zvuka. Nadalje, pulsatilni („bubnjajući“) zvukovi sastoje se od niza pulseva stvorenih u kratkom razdoblju (40 pulseva/sec.) koji traju između 50 i 800 ms te imaju maksimalne vrijednosti frekvencije oko 100 Hz. Kombinacijom navedenih zvukova, P. bonelli stvarao je kompleksne (dvokomponentne) zvukove koji se sastoje od početnog (pulsatilni, trajanje: 60 – 800 ms) i krajnjeg (tonalni, trajanje: 70 – 700 ms) dijela, kod kojega je većina akustičke energije koncentrirana na fundamentalnoj frekvenciji (Lugli i sur., 1996). Za razliku od P. bonelli, druge dvije vrste producirale su samo jedan tip zvukova: K. puncatitssima stvara samo pulsatilni tip (strukturalno sličan pulsatilnim zvukovima P. bonelli), karakteriziran s 40 pulseva/s, čije trajanje varira između 400 i 1000 ms; P. nigricans emitirao je samo kratke, stereotipne tonalne zvukove sinusoidalnog izgleda u trajanju 300 – 400 ms (Lugli i sur., 1996). S obzirom na etološki kontekst, tj. prisutnost ženke u blizini ili u gnijezdu, autori su signale podijelili na: 1. zvukove stvorene kada je ženka izvan gnijezda (eng. pre-spawning) i 2. zvukove stvorene kada je ženka u gnijezdu (eng. spawning, Lugli i sur., 1995, 1996). Zvukove prve grupe iz nastambe stvarali su mužjaci P. nigricans i P. bonelli, s naglaskom kako obje vrste stvaraju samo tonalne zvukove pri udvaranju maksimalnom stopom 60 – 90 zvukova/min. (Lugli i sur., 1996). Kada je ženka unutar gnijezda, mužjaci P. bonelli stvarali su pulsatilne i kompleksne zvukove tijekom cijelog njezina boravka, a prestaju tek kada ženka napusti gnijezdo. Budući da su se zvukovi stvarali tijekom cijelog razdoblja ženkina boravka u nastambi (a ne neposredno prije parenja), autori zaključuju kako oni nemaju funkciju u sinkronizaciji ispuštanja gameta (Lugli i sur., 1996). Kao i kod P. bonelli, mužjaci O. punctatissiumus stvarali su pulsatilne zvukove samo kada je ženka ušla u nastambu i trajali su sve dok je ona tamo boravila, sa stopom 2 – 10 zvukova/min u trenutku kada ženka zauzme ovipoziciju (pozicija za polaganje jaja, trbuhom okrenuta prema stropu nastambe). Kod obje vrste koje produciraju zvukove kada je ženka u nastambi (P. bonelli i O. punctatissiumus), najveći je broj zvukova mužjaka stvoren tijekom prvih 10 – 15 min nakon ovipozicije, a kako ženka polaže sve više jaja na strop nastambe, tako se produkcija zvukova smanjuje (Lugli i sur., 1996). Mužjaci P. bonelli nisu producirali zvukove jednom kada je ženka ušla ili boravila u gnijezdu, već su ih stvarali samo kada je ženka na ulazu ili kruži oko njega (Lugli i sur., 1996). Rezultati istraživanja upućivali su na to kako zvukovi kod glavoča ne sudjeluju u procesu sinkroniziranog izbacivanja gameta tijekom reprodukcije, već imaju „udvaračku“
29 UVOD funkciju budući da se ne stvaraju samo netom prije parenja ili fertilizacije jaja, već ih neke vrste produciraju prije ovipozicije i tijekom reprodukcije (Lugli i sur., 1996).
Prvo detaljno multidisciplinarno istraživanje mehanizma za produkciju zvukova glavoča proveli su Parmentier i sur. (2013). Cilj je istraživanja bio, koristeći morfološko- eksperimentalne analize i rezultate nekoliko različitih metoda (elektromiografija, anatomija, superbrze kamere, histologija, bioakustika), ispitati koje strukture sudjeluju u procesu produkcije zvukova te koji mehanizam najbolje opisuje akustička svojstva kod morske vrste glavoča Gobius paganellus, koji stvara dva tipa zvukova (pulsatilni i tonalni; Malavasi i sur., 2008). Gobius paganellus velika je vrsta morskog glavoča koja je rasprostranjena od Škotske pa sve do Senegala i Crnog mora (Miller, 1986), a u provedenom pokusu autori su akustički istražili i snimili dvije populacije (Francuska i Italija) u laboratorijskim uvjetima koristeći metodu pasivne akustike te kvalitativnom i kvantitativnom bioakustičkom analizom istražili akustička svojstva zvukova. Rezultati su pokazali kako se populacije znatno razlikuju s obzirom na tip produciranog zvuka: u Francuskoj G. paganellus je stvarao samo pulsatilne zvukove (trajanje: 192 ms; 11 pulseva; trajanje pulsa: oko 20 ms; puls period: 60 Hz) popraćene pokretima bukalne, brahialne i operkularne regije, dok to nije bio slučaj s talijanskim jedinkama koje su stvarale samo tonalne zvukove (trajanje: 334 ms; 31 puls; puls period: 93 Hz) bez uočenih pokreta glave i ostalih regija, zbog čega se uloga pokreta glave odbacila kao potencijalni mehanizam. Razlike u tipu produciranog zvuka (Francuska – pulsatilni naspram Italija – tonalni) pripisala se razlici u dužini tijela između dviju populacija (Parmentier i sur., 2013). Rezultati superbrzih kamera (200 okvira/s) pokazali su kako su ribe iz Francuske stvarale brze pokrete glavom tijekom produkcije zvukova (faza pripreme i faza spuštanja glave ili „klimanje“ glavom), čiji ciklusi savršeno odgovaraju periodu svakog pulsa njihovih zvukova, dok navedeni pokreti nisu bili primijećeni kod talijanske populacije, najvjerojatnije zbog razlike u tipu zvuka između dviju populacija (Parmentier i sur., 2013). Anatomska je analiza pokazala kako se lubanja i okolne strukture G. paganellus ne razlikuju između dviju populacija te kako je ona tipična za ribe reda Perciformes (Vandewalle i sur., 1982; Barel, 1983; Liem, 1993). Upotrebom elektromiografije i elektronske mikroskopije, pokazalo se kako mišić levator pectoralis, koji se veže na lubanju i povezuje na dorzalni dio oplećja (kosti grlenjače), sudjeluje u procesu stvaranja zvukova kod G. paganellus. Autori su, koristeći anatomske analize, navedeni mišić podijelili na dva različita snopa koja se križaju na mjestu vezanja na grlenjači: pars lateralis (drži se kaudalnog dijela neurokraniuma, a veže se na rostralni, tj. ventralni dio grlenjače) i pars medialis (drži se ventralnog dijela
30 UVOD neurokraniuma, a veže se dijagonalno na dorzalnoj strani grlenjače). S obzirom na dobivene rezultate anatomskih i bioakustičkih analiza, autori su predložili kako kontrakcijama navedenih mišića i vibracijama oplećja (ossi radiales) najvjerojatnije dolazi do vokalizacija kod jedinki G. paganellus (Parmentier i sur., 2013). Nadalje, histološka je analiza pokazala kako se poprečni presjek mišića levator pectoralis sastoji od tri zone bogate mitohondrijima i posebnog rasporeda miofibrila, dok je navedeni mišić tipične strukture i izgleda kao i ostali sonički mišići drugih vokalnih riba (najbrže kontrahirajući mišići među kralješnjacima; Loesser i sur., 1997; Ladich, 2001; Boyle i sur., 2013). Rezultati elektromiografije (EMG), tj. upotrebe para elektroda utaknutih u lijevi i desni mišić levator pectoralis kako bi se stimulirala njihova aktivnost, potvrdili su kako stopa kontrakcija mišića savršeno odgovara vrijednostima fundamentalne frekvencije te najvjerojatnije i određuje spektralne vrijednosti akustičkih signala (Parmentier i sur., 2013). Stoga su autori zaključili kako glavoči i peševi (Cottidae), zbog konvergentnih anatomskih, kinetičkih (pokreti glave, tj. klimanje glavom) i ekoloških svojstava (bentički način života i speleofilna taktika) dijele i jednaki mehanizam za stvaranje zvukova temeljen na kontrakcijama mišića levator pectoralis i okolnih struktura oplećja, odbacujući pretpostavku kako bi plivaći mjehur mogao imati ulogu u procesu glasanja (Parmentier i sur., 2013).
Jedno su od najvažnijih, a ujedno i prvo detaljnije interspecijsko istraživanje produkcije zvukova glavoča, proveli Malavasi i sur. (2008), u sklopu kojega su autori analizirali šest kvalitativnih i kvantitativnih akustičkih parametara zvukova (stvorenih u agresivnom i reproduktivnom kontekstu) za jedanaest vrsta mediteranskih glavoča rodova linije Gobius (Padogobius, Zosterisessor, Gobius; prema Agorreta i sur., 2013) i linije Pomatoschistus (Pomatoschistus i Knipowitschia; prema Agorreta i sur., 2013) te pokušali odrediti koliko se rezultati provedenih bioakustičkih analiza poklapaju s prijašnjim morfološkim i molekularnim istraživanjima (Miller, 1990; McKay i Miller, 1991, 1997; Miller i sur., 1994; Penzo i sur., 1998; Simonovic, 1999; Sorice i Caputo, 1999; Huyse i sur., 2004). Osnovna je hipoteza istraživanja bila da, zbog svoje velike raznolikosti i širokog vokalnog repertoara, glavoči mogu poslužiti kao idealni modelni organizmi u filogenetskim i bioakustičkim analizama koje istražuju utjecaj srodnosti ili adaptacija na evoluciju akustičke komunikacije. Rezultati su pokazali kako se, na temelju akustičkih parametara, sve vrste znatno razlikuju jedna od druge, što pokazuje kako su zvukovi specifični za vrstu (Malavasi i sur., 2008). Detaljna akustička i multivarijatna statistička analiza pokazale su kako su dva najvažnija akustička parametra zaslužna za razlikovanje vrsta upravo temporalna svojstva: trajanje zvuka (DUR) i stopa
31 UVOD ponavljanja pulseva (PRR) (Malavasi i sur., 2008). Takvi rezultati poklapali su se s prijašnjim istraživanjima nekoliko vokalnih porodica riba Pomacentridae, Centrarchidae, i Cichlidae (Lobel, 1998; Amorim i sur., 2004; Myrberg i Lugli, 2006) koja su potvrdila sličnu ulogu temporalnih svojstava u diferencijaciji vrsta. Uz to, tri su se grupe vrsta mogle razlikovati s obzirom na dva najvažnija akustička parametra: tonalna grupa (visok PRR, kratko DUR; Padogobius spp. i Gobius paganellus), velika pulsatilna grupa (nizak PRR, kratko DUR; Gobius spp. i Zosterisessor ophiocephalus) i mala pulsatilna grupa (nizak PRR, dugačko DUR; Pomatoschistus spp. i Knipowitschia spp.). Na fenogramu konstruiranom na temelju akustičkih svojstava, glavoči pijeska (Pomatoschistus, Orsinigobius i Knipowitschia) odvojili su se u jednu, dok su se ostale velike vrste odvojile u drugu grupu, unutar koje su rodovi Gobius i Padogobius prikazani parafiletski budući da se Padogobius nigricans grupirao s G. paganellus i G. cobitis, a P. bonelli s G. niger (Malavasi i sur., 2008). Zanimljivo, rezultati istraživanja pokazali su kako su vrijednosti modulacije frekvencije (FM) kod većine vrsta bile blizu nule ili negativne, dok je jedino kod G. paganellus FM iznosila oko 25 Hz, što je sugeriralo kako su zvukovi navedene vrste znatno povišeni u frekvenciji (Malavasi i sur., 2008). Nadalje, analiza korelacije između akustičkih parametara (DUR i PRR) i veličine tijela te temperature pokazala je kako je DUR znatno (negativno) korelirana s veličinom tijela i PRR kod istraživanih vokalnih glavoča. Autori su naglasili kako negativna korelacija DUR (koja odvaja dvije grupe glavoča na fenogramu) i veličine tijela te njihova predvidljivost (male vrste – dugački zvukovi i obrnuto) može imati filogenetsko značenje zbog morfološkog ograničenja koje predstavlja za mehanizam produkcije zvukova; evolucijske (selektivne) sile povezane s razlikama u veličini tijela glavoča mogle bi nastati kao rezultat razlika u trajanju zvuka koje je potencijalno svojstvo za razlikovanje identiteta riba (Kihslinger i Klimley, 2002; Malavasi i sur., 2008). Istovremeno, rezultati bioakustičkog istraživanja poklapali su se djelomično s morfološkim i molekularnim analizama, što je autorima sugeriralo kako akustički signali (zajedno sa svojim kvantitativnim parametrima) potencijalno prenose filogenetski signal zaslužan za razlikovanje vrsta (Malavasi i sur., 2008). Kako bi dobivene rezultate autori objasnili u filogenetskom kontekstu, autori su razvili hipotezu u obliku grafičkog prikaza, o evoluciji akustičke komunikacije kod glavoča (Slika 8): pulsatilni zvuk najvjerojatnije predstavlja ancestralan tip (pleziomorfno svojstvo) koji se zadržao kod svih vokalnih glavoča pijeska, kao i kod nekih velikih vrsta (Gobius, Zosterisessor, Padogobius), dok su tonalni zvukovi kod G. paganellus i Padogobius spp., u parsimonijskom scenariju, odvedeni tip zvukova nastali od starijih pulsatilnih tako što se njihovo trajanje (DUR) smanjilo, omogućivši povećanje stope ponavljanja pulseva (PRR, zvukovi se u kratkom
32 UVOD vremenu mnogo puta ponove, bez međuintervala) s obzirom na zapaženu negativnu međusobnu korelaciju DUR i PRR. Također, kako su zvukovi postali kraći s velikom stopom ponavljanja pulseva, tako su dobili mogućnost biti frekvencijski modulirani, što je naknadno otvorilo put za divergenciju bliskih vrsta (npr. G. paganellus od G. cobitis (Malavasi i sur., 2008)).
Slika 8. Dijagram koji prikazuje evoluciju akustičke komunikacije i razvoj zvukova kod mediteranskih glavoča (rodovi Padogobius, Zosterisessor, Gobius, Knipowitschia, Orsinigobius i Pomatoschistus). Prema navedenoj hipotezi, inicijalni je tip zvuka bio pulsatilni, koji je modulacijom dvaju najvažnijih akustičkih svojstva (DUR – trajanje; PRR – stopa ponavljanja pulseva) doveo do razvoja pulsatilnih/bubnjajućih zvukova kod skupine Pomatoschistus + Orsinigobius + Knipowitschia, tonalnih zvukova kod Padogobius spp. + G. paganellus te pulsatilnih zvukova kod preostale skupine. Na dijagramu, na mjestu gdje se povećava (>) PRR, javlja se ujedno i tonalna struktura zvukova. Preuzeto i prilagođeno iz Malavasi i sur. (2008)
33 PREGLED DISERTACIJE
PREGLED DISERTACIJE
Ova disertacija obuhvaća četiri izvorne znanstvene publikacije (I – IV) u kojima su navedeni ciljevi i znanstvene hipoteze.
Ciljevi ove disertacije:
1. Zabilježiti zvukove i kvantificirati temporalne i spektralne parametre akustičkih signala pontokaspijskih glavoča (Gobiidae) Neogobius fluviatilis Pallas, 1918, N. melanostomus (Pallas 1814) i Ponticola kessleri (Günther 1861), kao i rotana Perccottus glenii Dybowski 1877 (Odontobutidae) te detaljno opisati intraspecijsku akustičku varijabilnost zvukova istraživanih vrsta.
2. Istražiti interspecijsku akustičku varijabilnost vokalnih vrsta linije Gobius, tj. atlantsko- mediteranskih glavoča (rodovi Gobius, Padogobius i Zosterisessor) i pontokaspijskih vrsta (Neogobius fluviatilis, N. melanostomus i Ponticola kessleri), rekonstruirati hipotezu o evoluciji akustičke komunikacije glavoča linije Gobius te istaknuti najvažnija akustička svojstva koja diferenciraju vokalne vrste.
3. Istražiti etološki kontekst akustičke komunikacije i anatomske strukture povezane s potencijalnim mehanizmom za produkciju zvukova kod rotana P. glenii (Odontobutidae) te usporediti morfološke rezultate s predloženim mehanizmom kod ostalih ispitanih vrsta.
4. Istražiti genetsku srodnost vokalnih glavoča linije Gobius, rekonstruiranu na temelju DNK sekvenci četiri mitohondrijska i jezgrena biljega (cyt b, COI, Rho i RAG), te usporediti dobivene rezultate s provedenim akustičkim analizama kako bi se istražilo postoji li poklapanje akustičke divergencije s genetičkom.
Znanstvene hipoteze ove disertacije:
i. Filogenetska interspecijska analiza pontokaspijskih i atlantsko-mediteranskih glavoča iz linije Gobius, temeljena na kvalitativnim i kvantitativnim akustičkim parametrima, upućuje na određen stupanj međusobne srodnosti pojedinih vokalnih vrsta. Također, pretpostavlja se kako se vokalni repertoar vokalnih glavoča linije Gobius sastoji od malog broja različitih tipova zvukova. ii. Kod glavoča linije Gobius glasaju se samo mužjaci tijekom intraspecijskih interakcija. iii. Mehanizam za produkciju zvukova temelji se kod rotana Perccottus glenii (Odontobutidae) na kranio-pektoralnim mišićima, a samo pulsatilni zvukovi predstavljaju ancestralni tip akustičkog signala kod glavoča u širem smislu (Gobioidei).
34 PREGLED DISERTACIJE iv. Interspecijski filogenetski odnosi devet vokalnih vrsta glavoča linije Gobius (rodovi Neogobius, Ponticola, Zosterisessor, Gobius, Padogobius), konstruirani na temelju šest kvantitativnih akustičkih parametara, preklapaju se s rezultatima molekularnih analiza, što pokazuje kako zvukovi prenose filogenetski signal odgovoran za razlikovanje srodnih vrsta.
Publikacije I, II i III blisko su povezane s prvim ciljem te odgovaraju na prvu i treću hipotezu ove disertacije. Publikacija I opisuje zvukove i kvantificira akustičke parametre vrste Neogobius fluviatilis, dotad jedne od tek nekoliko ispitanih vrsta glavoča s pontokaspijskog područja. Rezultati navedenog rada pokazuju kako su tonalni zvukovi zajednička karakteristika ispitanih pontokaspijskih vrsta te kako nisu samo mužjaci ti koji stvaraju komunikacijske zvukove, već i ženke koje imaju sposobnost produciranja akustičkih signala. Publikacija II dodatno produbljuje znanje o akustičkoj komunikaciji pontokaspijskih vrsta Neogobius melanostomus i Ponticola kessleri te daje dublji uvid u akustičku divergenciju vrsta pontokaspijskog područja koje su prijašnjim morfološkim istraživanjima bile svrstane u jedinstveni rod Neogobius. Istovremeno, rezultati publikacije II pokazuju kako su tonalni zvukovi pontokaspijskih glavoča izrazito stereotipni i specifični za ispitane dvije vrste, s određenim parametrima akustičkih signala koji bi potencijalno mogli biti zaslužni za njihovu divergenciju. Nekoliko je različitih skupina prepoznato akustičkim analizama, na temelju akustičkih parametara, u sklopu publikacije II, a dvije srodne vrste (N. melansotomus i N. fluviatilis) dijele određene zajedničke karakteristike koje ih odvajaju od dotad dokumentiranih vrsta. Publikacija III izravno je povezana s trećim ciljem te pripada drugoj hipotezi ove disertacije. Naime, publikacija III daje dublji uvid u akustičku komunikaciju rotana P. glenii, člana bazalne porodice Odontobutidae unutar podreda Gobioidei. Rezultati te publikacije istaknuli su šest etoloških kategorija tijekom kojih dolazi do produkcije zvukova kod rotana za vrijeme reprodukcije te utvrdili kako nisu samo pulsatilni zvukovi sinapomorfno svojstvo za glavoče u širem smislu (Gobioidei), već da, uz pulsatilne, i tonalni zvukovi predstavljaju ancestralne akustičke signale. Uz to, publikacija III navodi anatomske strukture, tj. kranio- pektoralni mišić oplećja i lubanje podijeljen u tri snopa (m. levator pectoralis: pars lateralis superficialis, pars lateralis profundus i pars medialis) kao potencijalni mehanizam za produkciju zvukova kod rotana. Na kraju, publikacija IV izravno odgovara na prvu i treću hipotezu, a povezana je s drugim i četvrtim ciljem. Publikacija IV objedinjuje i analizira sve podatke (zvukove s njihovim akustičkim parametrima) dugogodišnjih akustičkih istraživanja, kao i ove disertacije, radi ispitivanja korelacije između akustičke i genetičke divergencije kod
35 PREGLED DISERTACIJE devet atlantsko-mediteranskih i pontokaspijskih vokalnih glavoča. Rezultati publikacije IV pokazuju kako su zvukovi kod vokalnih glavoča linije Gobius šireg mediteranskog područja izrazito specifični za svaku vrstu budući da su akustička divergencija i filogenetska diferencijacija pozitivno korelirane kod istraživanih vokalnih vrsta. Također, rezultati akustičkih analiza publikacije IV pokazuju kako određeni parametri zvuka najvjerojatnije prenose filogenetski signal zaslužan za razdvajanje srodnih vrsta. Filogenetski odnosi između vokalnih vrsta linije Gobius rekonstruirani su na temelju četiri mitohondrijska (mtDNA) i jezgrena (nDNA) genetička biljega, a rezultati navode kako je rod Padogobius parafiletskog podrijetla zbog bliske (utvrđene) genetske srodnosti talijanskog P. nigricans s pontokaspijskim vrstama Neogobius roda, kao i sličnog tipa akustičkog signala koje ove vrste produciraju.
36 PREGLED DISERTACIJE
37 ZNANSTVENE PUBLIKACIJE
2. ZNANSTVENE PUBLIKACIJE
XI ZNANSTVENE PUBLIKACIJE Biological Journal of the Linnean Society, 2016, 117, 564–573. With 3 figures.
Sound production in the Ponto-Caspian goby Neogobius fluviatilis and acoustic affinities within the Gobius lineage: implications for phylogeny